KR20070043889A - 재료 가공방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

장치가 거주가능한 구조의 표면을 가공한다. 장치는 상호작용 영역에 레이저광을 조사하는 레이저 베이스 유닛을 포함하는데, 레이저광은 구조로부터 재료를 제거한다. 레이저 베이스 유닛은 레이저 생성기 및 레이저 생성기에 결합된 레이저 헤드를 포함한다. 레이저 헤드는 상호작용 영역으로부터 재료를 국한 및 제거하는 수용 플레넘을 포함한다. 수용 플레넘은 구조에 접촉하고 상호작용 영역을 실질적으로 에워싸는 고무 밀봉을 포함하여 상호작용 영역으로부터 재료의 국한 및 제거를 용이하게 하고 구조 내의 활동에 방해를 감소시킨다. 장치는 구조에 이탈가능하게 결합되고 레이저 헤드에 이탈가능하게 결합되는 앵커링 메커니즘을 더 포함한다. 장치는 레이저 베이스 유닛에 전기적으로 결합된 제어기를 더 포함한다. 제어기는 사용자 입력에 대응하여 레이저 베이스 유닛에 제어 신호를 전송한다.

레이저 가공, 거주가능한 구조

Description

재료 가공방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR MATERIAL PROCESSING}

[우선권 주장]

본 출원은 2004년 3월 18일에 출원한 미국특허출원 10/803,272호의 일부계속출원인데, 이는 2003년 10월 22일에 출원한 미국특허출원 10/690,983호의 일부계속출원이고, 이는 미국법 35편 119(e) 조에 의하여 2003년 3월 18일에 출원한 미국특허 가출원 60/456,043호, 2003년 5월 16일에 출원한 미국특허 가출원 60/471,057호, 및 2003년 8월 20일에 출원한 미국특허 가출원 60/496,460호에 대해 우선권을 주장하는 것이며, 상기 각각은 참조에 의하여 그 전체가 여기에 포함된다. 본 출원서는 또한 미국법 35편 119(e) 조에 의하여 2004년 8월 16일에 출원한 미국특허 가출원 60/601,816호에 대해 우선권을 주장하며, 이는 참조에 의하여 그 전체가 여기에 포함된다.

[관련 출원서]

본 출원서는 각각 2003년 10월 22일에 출원한 미국특허출원 10/690,833호, 10/690,975호, 10/691,481호, 및 10/691,444호와 관련되며, 이들 각각은 참조에 의하여 그 전체가 여기에 포함된다. 본 출원서는 또한 각각 2004년 3월 18일에 출원한 미국특허출원 10/803,243호 및 10/803,267호와 관련되며, 이들 각각은 참조에 의하여 그 전체가 여기에 포함된다.

[연방정부 후원 연구 또는 개발에 관한 진술]

본 발명에는 로버트 T. 스태포드 재해구조및긴급구호법(Robert T. Stafford Disaster Relief and Emergency Assistance Act, 미국법 42편 5121조 이하)의 일환으로서 연방 긴급 사태 관리청(Federal Emergency Management Agency)으로부터의 부분적 재정 지원이 있었다.

본 발명은 재료 가공에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에너지파(energy waves)를 사용하여 재료를 드릴링(drilling), 절삭(cutting), 및 표면가공(surface processing)하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

다양한 재료 가공 산업의 사람들은 오랜 기간 동안 비방해성(non-disruptive) 재료 가공에 대한 필요를 인식해 왔다. 과거에는, 드릴링, 절삭, 스캐블링(scabbling) 등을 포함하여 거의 모든 재료 가공이 수많은 방해성(disruptive) 측면(예를 들면, 소음, 진동, 분진, 증기, 및 연무)을 포함해 왔다. 재료 가공은 드릴링, 해머링(hammering), 및 기타 동력에 의한(power assisted) 방법과 같은 기계식 기술을 일반적으로 포함한다. 재료 가공의 문제를 보여주는 것으로서, 미국특 허 5,085,026호가 매우 예시적이다. '026호 장치는 콘크리트 또는 기타 석재(masonry)와 같은 재료의 기계적 드릴링을 요구하며, 상기 방해성 측면 모두를 생성한다.

일부 실시예에서는 장치가 거주가능한(inhabitable) 구조의 표면을 가공한다. 장치는 상호작용 영역(interaction region)에 레이저광(laser light)을 제공하도록 적응되어 있는 레이저 베이스 유닛(laser base unit)을 포함하는데, 레이저광은 구조로부터 재료를 제거한다. 레이저 베이스 유닛은 레이저 생성기와 레이저 생성기에 결합된 레이저 헤드를 포함한다. 레이저 헤드는 상호작용 영역으로부터 재료를 제거하도록 적응되어 있어 구조 내의 활동에 대한 방해(disruption)를 감소시킨다. 장치는 레이저 조종 시스템(laser manipulation system)을 더 포함한다. 레이저 조종 시스템은 구조에 이탈가능하게(releasably) 결합되도록 적응되어 있는 앵커링 메커니즘(anchoring mechanism)을 포함한다. 레이저 조종 시스템은 앵커링 메커니즘에 결합되고 레이저 헤드에 결합된 배치 메커니즘(positioning mechanism)을 더 포함한다. 레이저 조종 시스템은 구조에 대한 레이저 헤드의 상대적 위치를 제어가능하게 조절하도록 적응되어 있다. 장치는 레이저 베이스 유닛 및 레이저 조종 시스템에 전기적으로 결합된 제어기를 더 포함한다. 제어기는 사용자 입력에 대응하여 레이저 베이스 유닛에 그리고 레이저 조종 시스템에 제어 신호를 전송(transmit)하도록 적응되어 있다.

일부 실시예에서는, 장치가 구조 내의 활동에 대한 방해를 감소시키면서 거주가능한 구조의 표면을 가공한다. 장치는 레이저광을 생성하기 위한 수단을 포함한다. 장치는 레이저광을 구조의 상호작용 영역에 제공하여 구조로부터 재료를 제거하기 위한 수단을 더 포함한다. 장치는 재료를 국한하고 재료를 상호작용 영역으로부터 제거하기 위한 수단을 더 포함한다. 장치는 사용자 입력에 대응하여 레이저광 및 상호작용 영역의 위치를 제어하기 위한 수단을 더 포함한다.

일부 실시예에서는, 방법이 구조 내의 활동에 대한 방해를 감소시키면서 거주가능한 구조의 표면을 가공한다. 방법은 레이저광을 원격으로 생성하는 단계를 포함한다. 단계는 레이저광을 표면에 제공하는 단계를 더 포함하는데, 레이저광은 상호작용 영역에서 구조와 상호작용(interacting)하여 구조로부터 재료를 제거한다. 방법은 재료를 국한하고 상호작용 영역으로부터 재료를 제거하는 단계를 더 포함한다. 방법은 구조의 표면에 대한 상호작용 영역의 상대적 위치를 제어가능하게 조절하는 단계를 더 포함한다. 방법은 사용자 입력에 대응하여 레이저광 및 상호작용 영역의 위치를 제어하는 단계를 더 포함한다.

일부 실시예에서는 장치가 거주가능한 구조의 표면을 가공한다. 장치는 상호작용 영역에 에너지파(energy waves)를 제공하도록 적응되어 있는 베이스 유닛(base unit)을 포함하는데, 에너지파는 구조로부터 재료를 제거한다. 베이스 유닛은 생성기(generator)와 생성기에 결합된 헤드를 포함한다. 헤드는 상호작용 영역으로부터 재료를 제거하도록 적응되어 있어 구조 내의 활동에 대한 방해를 감소시킨다. 장치는 조종 시스템(manipulation system)을 더 포함한다. 조종 시스템은 구조에 이탈가능하게 결합되도록 적응되어 있는 앵커링 메커니즘을 포함한다. 조종 시스템은 앵커링 메커니즘에 결합되고 헤드에 결합된 배치 메커니즘을 더 포함한다. 조종 시스템은 구조에 대한 헤드의 상대적 위치를 제어가능하게 조절하도록 적응되어 있다. 장치는 베이스 유닛 및 조종 시스템에 전기적으로 결합된 제어기를 더 포함한다. 제어기는 사용자 입력에 대응하여 베이스 유닛에 그리고 조종 시스템에 제어 신호를 전송하도록 적응되어 있다.

일부 실시예에서는 장치가 거주가능한 구조의 표면을 가공한다. 장치는 상호작용 영역에 레이저광을 제공하도록 적응되어 있는 레이저 베이스 유닛을 포함하는데, 레이저광은 구조로부터 재료를 제거한다. 레이저 베이스 유닛은 레이저 생성기와 레이저 생성기에 결합된 레이저 헤드를 포함한다. 레이저 헤드는 상호작용 영역으로부터 재료를 제거하도록 적응되어 있어 구조 내의 활동에 대한 방해를 감소시킨다. 장치는 레이저 헤드에 이탈가능하게 결합되고 구조에 이탈가능하게 결합되도록 적응되어 있는 앵커링 메커니즘을 더 포함한다. 장치는 레이저 베이스 유닛에 전기적으로 결합된 제어기를 더 포함한다. 제어기는 사용자 입력에 대응하여 레이저 베이스 유닛에 제어 신호를 전송하도록 적응되어 있다.

일부 실시예에서는, 장치가 구조 내의 활동에 대한 방해를 감소시키면서 거주가능한 구조의 표면을 가공한다. 장치는 레이저광을 생성하기 위한 수단을 포함한다. 장치는 레이저광을 구조의 상호작용 영역에 제공하여 구조로부터 재료를 제거하기 위한 수단을 더 포함한다. 장치는 재료를 국한하고 재료를 상호작용 영역으로부터 제거하기 위한 수단을 더 포함한다. 장치는 사용자 입력에 대응하여 레이저광을 제어하기 위한 수단을 더 포함한다.

일부 실시예에서는, 방법이 구조 내의 활동에 대한 방해를 감소시키면서 거주가능한 구조의 표면을 가공한다. 방법은 레이저광을 원격으로 생성하는 단계를 포함한다. 단계는 레이저광을 표면에 제공하는 단계를 더 포함하는데, 레이저광은 상호작용 영역에서 구조와 상호작용하여 구조로부터 재료를 제거한다. 방법은 재료를 국한하고 상호작용 영역으로부터 재료를 제거하는 단계를 더 포함한다. 방법은 사용자 입력에 대응하여 레이저광을 제어하는 단계를 더 포함한다.

일부 실시예에서는 장치가 거주가능한 구조의 표면을 가공한다. 장치는 상호작용 영역에 에너지파를 제공하도록 적응되어 있는 베이스 유닛을 포함하는데, 에너지파는 구조로부터 재료를 제거한다. 베이스 유닛은 생성기와 생성기에 결합된 헤드를 포함한다. 헤드는 상호작용 영역으로부터 재료를 제거하도록 적응되어 있어 구조 내의 활동에 대한 방해를 감소시킨다. 장치는 헤드에 이탈가능하게 결합되고 구조에 이탈가능하게 결합되도록 적응되어 있는 앵커링 메커니즘을 포함한다. 장치는 베이스 유닛에 전기적으로 결합된 제어기를 더 포함한다. 제어기는 사용자 입력에 대응하여 베이스 유닛에 제어 신호를 전송하도록 적응되어 있다.

일부 실시예에서는 장치가 거주가능한 구조의 표면을 가공한다. 장치는 상호작용 영역에 레이저광을 제공하도록 적응되어 있는 레이저 베이스 유닛을 포함하는데, 레이저광은 구조로부터 재료를 제거한다. 레이저 베이스 유닛은 레이저 생성기와 레이저 생성기에 결합된 레이저 헤드를 포함한다. 레이저 헤드는 상호작용 영역으로부터 재료를 제거하도록 적응되어 있어 구조 내의 활동에 대한 방해를 감소시킨다. 장치는 레이저 헤드에 이탈가능하게 결합되고 구조에 이탈가능하게 결합되도록 적응되어 있는 앵커링 메커니즘을 더 포함한다. 장치는 레이저 베이스 유닛에 전기적으로 결합된 제어기를 더 포함한다. 제어기는 사용자 입력에 대응하여 레이저 베이스 유닛에 제어 신호를 전송하도록 적응되어 있다.

일부 실시예에서는, 장치가 구조 내의 활동에 대한 방해를 감소시키면서 거주가능한 구조의 표면을 가공한다. 장치는 레이저광을 생성하기 위한 수단을 포함한다. 장치는 레이저광을 구조의 상호작용 영역에 제공하여 구조로부터 재료를 제거하기 위한 수단을 더 포함한다. 장치는 재료를 국한하고 재료를 상호작용 영역으로부터 제거하기 위한 수단을 더 포함한다. 국한 수단은 상호작용 영역을 실질적으로 에워싸는 고무 밀봉을 포함한다. 장치는 사용자 입력에 대응하여 레이저광을 제어하기 위한 수단을 더 포함한다.

일부 실시예에서는, 방법이 구조 내의 활동에 대한 방해를 감소시키면서 거주가능한 구조의 표면을 가공한다. 방법은 레이저광을 원격으로 생성하는 단계를 포함한다. 단계는 레이저광을 표면에 제공하는 단계를 더 포함하는데, 레이저광은 상호작용 영역에서 구조와 상호작용하여 구조로부터 재료를 제거한다. 방법은 재료를 국한하고 상호작용 영역으로부터 재료를 제거하는 단계를 더 포함한다. 재료는 상호작용 영역을 실질적으로 에워싸는 고무 밀봉에 의해 국한된다. 방법은 사용자 입력에 대응하여 레이저광을 제어하는 단계를 더 포함한다.

본 발명을 요약하여 설명하기 위한 목적으로 상기에는 본 발명의 일부 측면, 장점, 및 신규한 특징이 설명되었다. 그러나 본 발명의 어느 특정한 실시예에 따라 이러한 장점 모두가 반드시 얻어지는 것은 아닐 수 있음을 이해할 것이다. 따라서 본 발명은 여기에 기술되거나 암시되는 다른 특징들을 반드시 얻지 않고도, 여기에 기술되는 하나의 장점 또는 일군의 장점들을 얻거나 최적화하는 방식으로 실시 또는 실행될 수 있다.

아래에 청구된 본 발명의 범위를 한정하지 않고 도면을 설명하면,

도 1은 구조의 표면을 가공하기 위한 장치의 실시예를 개략적으로 도시하고;

도 2는 여기에 설명된 실시예와 호환성이 있는 레이저 베이스 유닛을 개략적으로 도시하고;

도 3A는 여기에 설명된 실시예에 따른 레이저 헤드를 개략적으로 도시하고;

도 3B 및 3C는 레이저 헤드의 두 가지 대안적 실시예를 개략적으로 도시하고;

도 4는 여기에 설명된 실시예에 따른 수용 플레넘의 단면도를 개략적으로 도시하고;

도 5는 레이저 헤드 및 상호작용 영역 사이의 상대적 거리를 측정하도록 적응된 센서를 포함하는 레이저 헤드를 개략적으로 도시하고;

도 6A 및 6B는 레이저 조종 시스템이 구조에 이탈가능하게 결합되도록 적응된 앵커링 메커니즘 및 레이저 헤드에 결합되고 앵커링 메커니즘에 결합된 배치 메커니즘을 포함하는 일 실시예의 두 반대편 사시도를 도시하고;

도 7은 앵커링 메커니즘의 부착 인터페이스의 일 실시예를 개략적으로 도시하고;

도 8은 배치 메커니즘과 앵커링 메커니즘의 부착 인터페이스의 일 실시예의 분해도를 개략적으로 도시하고;

도 9는 제1축 배치 시스템의 일 실시예를 개략적으로 도시하고;

도 10은 제2축 배치 시스템의 일 실시예를 개략적으로 도시하고;

도 11A 및 11B는 두 가지 대안적인 구성에서의 인터페이스의 일 실시예를 개략적으로 도시하고;

도 12는 레이저 헤드 리시버의 일 실시예를 개략적으로 도시하고;

도 13은 장치의 다른 부품에 결합된 지지 구조의 일 실시예를 개략적으로 도시하고;

도 14A는 장치에 결합된 현수식 지지 시스템의 일 실시예를 개략적으로 도시하고;

도 14B는 현수식 지지 커넥터를 포함하는 장치의 일 실시예를 개략적으로 도시하고;

도 15는 제어 패널, 마이크로프로세서, 레이저 생성기 인터페이스, 배치 시스템 인터페이스, 센서 인터페이스, 및 사용자 인터페이스를 포함하는 제어기의 일 실시예를 개략적으로 도시하고;

도 16은 스크린 및 복수의 버튼을 포함하는 제어 펜던트를 일 실시예를 개략적으로 도시하고;

도 17A은 제어 펜던트의 예시적인 "메인 스크린" 디스플레이를 도시하고;

도 17B는 제어 펜던트의 예시적인 "작동 선택 스크린" 디스플레이를 도시하고;

도 17C는 제어 펜던트의 예시적인 "선회 설정/작동 스크린" 디스플레이를 도시하고;

도 17D는 제어 펜던트의 예시적인 "관통 설정/작동 스크린" 디스플레이를 도시하고;

도 17E는 제어 펜던트의 예시적인 "절삭 설정/작동 스크린" 디스플레이를 도시하고;

도 17F는 제어 펜던트의 예시적인 "표면 키잉 설정/작동 스크린" 디스플레이를 도시하고;

도 17G는 제어 펜던트의 예시적인 "오류 스크린" 디스플레이를 도시하고;

도 17H는 제어 펜던트의 예시적인 "유지관리 스크린" 디스플레이를 도시하고;

도 18A는 여기에 설명된 실시예와 호환성이 있는 탐지기를 개략적으로 도시하고;

도 18B는 결과 분광 데이터를 분석하도록 적응된 컴퓨터 시스템을 개략적으로 도시하고;

도 19는 콘크리트 조사시 탐지된 파장의 광 스펙트럼 및 보강근이 내장된 콘크리트 조사시 탐지된 광 스펙트럼의 그래프를 나타내고;

도 20은 여기에 설명된 실시예에 따른 레이저 헤드의 예시적인 소형 구성을 개략적으로 도시하고;

도 21A 내지 21C는 여기에 설명된 실시예에 따른 다양한 앵커링 메커니즘을 개략적으로 도시하고;

도 21D는 여기에 설명된 실시예에 따른 앵커링 메커니즘 및 레이저 헤드의 예시적 소형 구성을 도시하고;

도 22A는 여기에 설명된 실시예에 따른 레이저 헤드의 경량 구성을 개략적으로 도시하고;

도 22B는 여기에 설명된 실시예에 따른 앵커링 메커니즘 및 레이저 헤드의 다른 예시적 경량 구성을 도시하고;

도 22C는 도 22B의 레이저 헤드에 결합된 수용 플레넘을 개략적으로 도시하고;

도 23은 여기에 설명된 실시예에 따른 스펙트럼 비율을 판단하는 예시적 방법의 순서도이다.

재료 가공의 방해성 측면을 감소시키는 것은 오랜 기간 재료 가공 산업의, 특히, 레노베이션(renovation) 및 다수의 기타 응용에서 흔히 있는 것과 같은, 점유 중인 구조 내 또는 근처의 재료 가공을 요구하는 산업의 사람들의 목표가 되어왔다. 이와 같은 오랫동안 실감한 필요성은, 점유 중인 구조를 레트로핏하 여(retrofitting) 이러한 구조의 안전성을 증가시키는 효과적이고 경제적인 수단에 대한 긴급한 필요성이 있는, 지구의 지진 활동이 활발한 지역에서 특히 유력하였다.

종래 기술은 방해성 특성들로 시달리고 있어, 점유 중인 구조를 레트로핏하는 데 거의 부적합하다. 부가적으로, 그러한 재료 가공 기술은 흔히 위험하고 높은 비용을 초래하는 "컷 스루(cut through)" 위험을 제시한다. "컷 스루" 위험에는 작업자(worker)가 대상 재료를 통해 드릴링하는 중 의도하지 않게 내장된(embedded) 물체를 절삭(cutting)하는 것과 같은 경우가 포함된다. 예를 들어, 기존의 콘크리트 벽에 구멍을 드릴링하는 건축 작업자는 보강 철재 또는 보강근(rebar), 또는 가용 전기 콘딧(live electrical conduit) 및 도전체(conductors)와 같은 내장된 설비를 우발적으로 만날 수 있다. 이러한 경우는 도구 또는 대상 재료에 높은 비용을 초래하는 손상과, 또한 작업자들에게 잠재적으로 치명적인 결말(예를 들면, 감전)을 야기할 수 있다. 전통적인 드릴링 방법은 또한 드릴되는 재료를 예기치 않게 펀치 스루(punching through)하여 재료의 반대측에 있는 구조 또는 인원을 손상시키는 "펀치 스루(punch through)" 위험을 포함할 수 있다.

또한, 전통적인 재료 가공 장비는 작동하기가 지극히 번거로웠다. 손으로 드는(handheld) 동력(power) 드릴링 및 해머링 장치는 보통 50 파운드 이상의 무게를 가지고 장시간 동안 작동자(operator)에 의해 머리 위로 들려지는 것이 흔히 요구된다. 종래의 장치는 또한 작동자가 장치를 들고 있는 동안 흡수해야만 하는 격동(jarring) 힘을 통상적으로 발생시킨다. 잠재적으로 부상을 입힐 수 있는 격동 힘, 지속된 무거운 물체 들어올리기(heavy lifting), 및 "컷 스루" 위험 외에도, 장치 근방의 사람들 및 작동자는 낙하 또는 투사되는(projectile) 파편(debris)에, 그리고 분진(dust), 연무(fumes), 증기(vapors), 진동, 및 소음에 노출될 수 있다. 이러한 수준의 불쾌한(noisome) 활동은 점유 중인 구조에 있어 일반적으로 부적합하고, 소음 및 진동이 완전히 용납될 수 없는, 병원, 연구실, 등으로 사용되는 구조에서는 절대로 부적합하다.

이 기술분야에서 계속 필요하나 아직 부족한 것은 전술된 단점을 극복하는 비방해성(non-disruptive) 재료 가공 기술이다. 여기에 설명된 일부 실시예에서는, 그러한 단점의 일부 혹은 모두를 극복하기 위해 에너지파(energy waves)가 가공될 표면을 향하게 된다. 일부 실시예에서의 에너지파는 전자기파(electromagnetic waves)(예를 들면, 레이저광, 마이크로파)이고, 다른 실시예에서는 음향파(acoustic waves)(예를 들면, 초음파)이다. 그러나 일부 실시예에서는, 이러한 절삭 유닛(cutting unit)이 그에 대응하는 기계식 장비(mechanical counterparts)만큼이나 부피가 크고, 흔히 조작하기가 어렵다. 레이저가 콘크리트를 절삭 또는 드릴하는 속도는 콘크리트 내의 골재(aggregate)의 포함 정도(concentration), 크기, 및 종류에 의존할 수 있다. 또한, 레이저는 전술된 것과 동일한 "컷 스루" 위험 가능성이 있는데, 가공될 재료의 매트릭스(matrix) 내에 숨겨진 물체들이 부주의에 의해 손상될 수 있다. 레이저는 또한 "펀치 스루"의 추가적 위험을 야기할 수도 있어 레이저 빔(laser beam)의 경로에 있는 사람 또는 물체에 위험을 준다. 레이저는 또한 절삭 또는 드릴된 홀(hole)로부터 드릴된 재료를 제거하는 데 있어 애 로사항(complexities)을 제시할 수 있다. 일부 실시예에서, 레이저 시스템은 수많은 비방해성 및 안전성 특징을 포함하는 휴대가능한(portable) 가공 헤드(processing head)를 가진 원격 레이저 생성기(remote laser generator)를 포함하여 시스템이 점유 중인 구조 내 또는 근처에서 활용될 수 있게 할 것이다.

본 발명의 일부 실시예는 종래기술의 다수의 결점에 대처하고 이전에는 없었던(heretofore unavailable) 이점(예를 들면, 구조 내의 활동에 대한 방해 감소)을 가능하게 하면서 빠른 재료 가공을 제공한다. 일부 실시예에서, 방법 및 장치는 소란하고, 부피가 크고, 무거운 요소가 실제 작업 구역으로부터 현저한 거리에서 작동할 수 있도록 요소간에 섬유 연결을 활용한다. 일부 실시예는 작동 중 소음 및 진동이 낮으며, 분진 및 파편을 효과적으로 제거한다. 일부 실시예는 "컷 스루" 또는 "펀치 스루"의 위험을 감소시키기 위해 탐지 시스템을 포함한다. 일부 실시예는 재료 가공 중 작업자가 작업 구역으로부터 떨어져 소재할 수 있게 함으로써 작업자 안전을 향상시킨다. 일부 실시예는 인력으로 휴대가능한(man-portable) 부분들(예를 들면, 50 파운드 미만)로 분리가능하여, 쉽고 빠른 휴대성 및 설치를 제공함으로써 가공되는 구조에 근접한 또는 구조 내부의 장소로의 이송을 용이하게 한다.

본 발명의 일부 실시예는 종래 가공 기법에 의해서는 손상될 수 있는 깨지기 쉬운(fragile) 구조를 가공하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 예를 들어, 레트로핏 또는 재단장(refurbishment) 과정의 일부로서 콘크리트 입자 사일로(concrete grain silos)를 가공하는 데 종래의 톱(saws)을 사용하는 것은 사일로의 다른 부분들에 손상을 주는 진동을 야기할 수 있다. 깨지기 쉬운 구조를 가공하는 데 레이저 를 사용하는 것은 가공 중 구조에 가해지는 부수적 손상을 감소시킬 수 있다. 더 나아가, 여기에 설명된 일부 실시예는 쉽게 조립/분해되므로, 다른 경우에는 접근할 수 없는(inaccessible) 구조의 부분에서 사용될 수 있다. 여기에 설명된 실시예는 인조(man-made) 구조를 가공하는 것에 대해 개시되어 있으나, 또 다른 실시예에서는 본 발명이 자연적인 구조물을 가공하는 데 (예를 들면, 채광 또는 드릴링 작동의 일부로서)유용할 수 있다.

여기에 설명된 방법 및 장치는 최신기술에 있어서의 현저한 발전을 대표한다. 장치의 다양한 실시예는 독특하고 신규한 방식으로 구성되고 예전에는 없었으나 바람직한 능력을 나타내는 방법 및 요소의 새롭고 신규한 배열을 포함한다. 특히, 본 발명의 일부 실시예는 조용하고, 실질적으로 진동이 없으며, 분진, 파편, 또는 유독성 연무를 배출할 가능성이 더 적은 재료 가공 방법을 제공한다. 이에 더해, 일부 실시예는 종래의 기술보다 더 높은 속도의 재료 가공을 가능하게 한다.

도면과 연결하여 아래 제시되는 상세한 설명은 단지 본 발명의 다양한 실시예의 설명을 위한 것이며, 본 발명이 축조 또는 활용될 수 있는 유일한 형태를 나타내기 위한 것이 아니다. 설명은 발명을 구현함에 있어서의 디자인, 기능, 장치, 및 방법의 표현된 실시예를 제시한다. 그러나 동일한 혹은 균등한 기능 및 특징이 발명의 사상 및 범위 내에 역시 포함되는 상이한 실시예에 의해 얻어질 수 있음을 이해할 것이다.

도 1은 표면을 가진 구조를 가공하기 위한 장치(50)의 실시예를 개략적으로 도시한다. 장치(50)는 레이저 베이스 유닛(300), 레이저 조종 시스템(100), 및 제 어기(500)를 포함한다. 레이저 베이스 유닛(300)은 상호작용 영역에 레이저광을 제공하도록 적응되어 있으며, 레이저 생성기(310) 및 레이저 생성기(310)에 결합된 레이저 헤드(200)를 포함한다. 레이저 헤드(200)는 상호작용 영역으로부터 재료를 제거하도록 적응되어 있다. 레이저 조종 시스템(100)은 구조에 이탈가능하게 결합되도록 적응되어 있는 앵커링 메커니즘(110)과 앵커링 메커니즘(110)에 결합되고 레이저 헤드(200)에 결합된 배치 메커니즘(121)을 포함한다. 레이저 조종 시스템(100)은 구조에 대한 레이저 헤드(200)의 상대적 위치를 제어가능하게 조절하도록 적응되어 있다. 제어기(500)는 레이저 베이스 유닛(300) 및 레이저 조종 시스템(100)에 전기적으로 결합되어 있다. 제어기(500)는 사용자 입력에 대응하여 레이저 베이스 유닛(300)에 그리고 레이저 조종 시스템(100)에 제어 신호를 전송하도록 적응되어 있다.

일부 실시예에서는, 레이저 헤드(200)가 레이저 생성기(310)에 이탈가능하게 결합되어 있고 배치 메커니즘(121)에 이탈가능하게 결합되어 있다. 일부 실시예에서는, 배치 메커니즘(121)이 앵커링 메커니즘(110)에 이탈가능하게 결합되어 있고, 제어기(500)는 레이저 베이스 유닛(300) 및 레이저 조종 시스템(100)에 이탈가능하게 결합되어 있다. 이러한 실시예는 역전가능하게(reversibly) 조립 및 분해될 수 있어 장치(50)를 가공되는 구조에 근접한 또는 그 내부의 장소로 이송하는 것을 용이하게 하는 장치(50)를 제공할 수 있다.

레이저 베이스 유닛

레이저 베이스 유닛(300)의 일부 실시예가 이하 설명된다. 레이저 베이스 유 닛(300)은 분리된 부품을 포함하는 것으로 이하에 설명되어 있으나, 다른 실시예는 이러한 부품의 둘 이상이 일체형 유닛으로서 통합된 형태를 포함할 수 있다.

레이저 생성기

도 2는 여기에 설명된 실시예와 호환성이 있는 레이저 베이스 유닛(300)을 개략적으로 도시한다. 일부 실시예에서, 레이저 베이스 유닛(300)은 레이저 생성기(310) 및 냉각 서브시스템(320)을 포함한다. 레이저 생성기(310)는 적절한 전압량(voltage), 위상(phase), 및 전류량(amperage)의 전기적 동력을 제공하는 동력원(power source)(미도시)에 결합되어 있다. 동력원은 또한 일부 실시예에서는 휴대가능할 수 있고, 장치(50)가 작동하고 있는 시설로부터의 냉각용 물, 공기, 또는 동력 없이 작동 할 수 있다. 예시적인 동력원은 디젤 동력의 발전기를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

일부 실시예에서, 레이저 생성기(310)는 바람직하게는 아크램프펌프식(arc-lamp-pumped) Nd:YAG 레이저를 포함하지만, 대안적으로 CO2 레이저, 다이오드 레이저, 다이오드펌프식(diode-pumped) Nd:YAG 레이저, 섬유 레이저, 디스크 레이저, 또는 기타 레이저 시스템 종류를 포함할 수 있다 . 레이저 생성기(310)는 펄스 모드(pulsed mode) 또는 연속파 모드(continuous-wave mode)로 작동될 수 있다. 여기에 설명된 실시예에 따른 하나의 예시적 레이저 생성기(310)는 독일 디찡엔(Ditzingen)의 트럼프 레이저테크닉 사(Trumpf Lasertechnik GmbH)에서 입수가능한 Trumpf 4006D, 4000-와트, 연속파(continuous-wave) 레이저를 포함한다. 다른 예시적 실시예에서는, Yb-도프된(Yb-doped) 섬유 레이저 또는 Er-도프된 (Er- doped) 섬유 레이저가 사용될 수 있다. 다른 동력 출력(예를 들면, 2000-와트)을 가진 다른 레이저 종류도 여기에 설명된 실시예와 호환성이 있다. 여기에 설명된 방법 및 장치의 어떠한 응용에 대해 독특한 요구사항에 따라, 당분야에서 통상의 지식을 가진 자는 해당 목적을 위한 최적의 레이저를 선택할 수 있을 것이다.

일부 실시예에서, 레이저 생성기(310)는 이송 및 보관이 쉽도록 운송 컨테이너(shipping container) 내에 소재할 수 있다. 레이저 생성기(310)는, 바람직하게는 레이저 생성기(310)로부터 유리 광섬유 케이블(glass fiber-optic cable)을 통해 작업 장소로 인가되는, 레이저광을 생성한다.

일부 대안적인 실시예에서, 레이저 생성기(310)는 CO2 기체의 여기(excitation)에 의해 레이저광을 생성하는 기체식(gas-based) CO2 레이저를 포함한다. 이러한 레이저는 고효율(예를 들면, ~ 5 - 13%)에서 높은 동력 출력(예를 들면, ~ 100 W - 50 kW)을 제공하고, 상대적으로 저렴하다. 이러한 기체식 CO2 레이저에 의해 생성된 레이저광은, 굴곡부(bends) 또는 모퉁이(corners)를 돌아 레이저광을 인가하기 위하여, 통상적으로 거울(mirrors)에 의해 그리고 덕트(ducts) 또는 암(arms)의 시스템의 사용에 의해 인가된다.

일부 대안적인 실시예에서, 레이저 생성기(310)는 다이오드 레이저를 포함한다. 이러한 다이오드 레이저는 기체 및 Nd:YAG 레이저에 비해 소형이며, 이로 인해 직접 인가(direct delivery) 구성에서(예를 들면, 작업 사이트에 가까이 근접하여) 사용될 수 있다. 다이오드 레이저는 고효율(예를 들면, ~ 25 - 40%)에서 높은 동력(예를 들면, ~ 10 W - 6 kW)을 제공한다. 일부 실시예에서, 다이오드 레이저로부 터의 레이저광은 광섬유를 통해 인가될 수 있지만, 상응하는 동력 손실을 수반한다.

Nd:YAG 레이저를 사용하는 실시예는 CO2 레이저 또는 다이오드 레이저를 가진 실시예에 비해 일부 장점을 가질 수 있다. 재료 가공 산업에는 Nd:YAG 레이저에 대해 오랜 산업 경험이 있고, 이는 높은 동력(예를 들면, ~ 100 W - 6 kW)을 제공한다. 이에 더해, Nd:YAG 레이저로부터의 레이저광은 상대적으로 작고 기다란 광섬유를 통해 약간의 동력 손실(예를 들면, ~ 12%)만을 가지고 광섬유로 인가될 수 있다. 이는 레이저 생성기(310) 및 지지 장비를 작업 구역으로부터 상대적으로 거리가 먼(예를 들면, 약 100 미터) 장소에 스테이징(staging)하는 것을 허용한다. 레이저 생성기(310)를 가공되는 표면으로부터 거리를 두어 유지하는 것은 장치(50)의 나머지가 더 작고 더 휴대가능할 수 있게 한다.

아크램프펌프식 Nd:YAG 레이저는 레이저광을 생성하기 위해 Nd:YAG 결정을 여기(excite)시키는 데 아크램프(arc lamp)를 사용한다. 다이오드펌프식 Nd:YAG 레이저는 Nd:YAG 결정을 여기시키는 데 다이오드 레이저를 사용하여, 그 결과 동력 효율의 증가(예를 들면, ~ 10 - 25%, 이와 비교해서 아크램프펌프식 Nd:YAG 레이저는 5% 미만)를 일으킨다. 이러한 효율 증가는 다이오드펌프식 레이저가 더 나은 빔 품질을 가지고 더 작은 냉각 서브시스템(320)을 요구하게 되는 결과를 가진다. 예시적인 아크램프펌프식 Nd:YAG 레이저가 독일 디찡엔의 트럼프 레이저테크닉 사에서 입수가능하다.

여기에 설명된 실시예와 호환성이 있는 Nd:YAG 및 기타 반도체(solid state) 레이저(예를 들면, Nd:YLiF4, Ti:Sapphire, Yb:YAG, 등)는 여러 가지 방법으로 구성 및 펌프(pumped)될 수 있다. 이러한 방법은 플래시(flash) 및 아크램프와 또한 다이오드 레이저를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 반도체 매체(solid state media)의 다양한 구성이 여기에 설명된 실시예와 호환성이 있는데, 이는 막대(rod), 슬래브(slab), 및 디스크(disk) 구성을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 서로 다른 구성 및 펌핑(pumping) 방법의 장점들은 레이저 생성기(310)의 다양한 측면에 영향을 줄 것인데, 이는 레이저 생성기(310)의 효율, 빔 품질, 및 작동 모드를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 디스크 레이저는 그 반사 표면 중 하나를 히트 싱크(heat sink)로 사용하는 다이오드펌프식 웨이퍼(wafer) 혹은 "디스크"에 근거한 것이다. 일부 실시예에서, 이러한 디스크 레이저는 낮은 열적 영향에 높은 동력 출력을 허용하고, 작은 지름 섬유에 주입될 수 있는 고효율(예를 들면, 20%) 및 고품질 레이저 빔을 제공할 수 있다. 예시적인 다이오드레이저펌프식(diode-laser-pumped) Nd:YAG 레이저가 독일 디찡엔의 트럼프 레이저테크닉 사에서 입수가능하다.

섬유 레이저는 도프된(예를 들면, 이테르븀 또는 에르븀으로 도프된) 섬유를 사용하여 레이저 빔을 발생시킨다. 도프된 섬유는 기타 광원(light sources)에 의해 펌프될 수 있는데, 이는 아크램프 및 다이오드를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 섬유 레이저는 레이저 빔을 상호작용 장소로 운반하는 인가 섬유(delivery fiber)로 결합(coupled)될 수 있다. 일부 실시예에서, 섬유 레이저는 약 15% 내지 약 20%의 유리한 효율을 제공한다. 이러한 높은 효율은 레이저 생성기(310)가 보다 이동성 있게 하는데, 더 작은 칠러(chiller) 유닛을 활용하기 때문이다. 또한, 그러한 고효율 레이저 생성기(310)는 가공 구역에 더 가까이 소재될 수 있다. 여기에 설명된 실시예와 호환성이 있는 예시적인 섬유 레이저는 매사추세츠 주, 옥스포드의 IPG 포토닉스(IPG Photonics)에서 입수가능한, 1070 나노미터의 근적외선(near-infrared) 파장에서 작동하는 YLR-4000, 4000-와트, 연속파(CW) 이테르븀:이트륨-알루미늄-가닛(Yb:YAG) 섬유 레이저이다.

통상적으로, 레이저 생성기(310)에 의한 레이저광의 생성은 레이저 생성기(310)에 결합된 냉각 서브시스템(320)에 의해 레이저 생성기(310)로부터 제거되는 것이 바람직한 잉여 열을 발생시킨다. 필요한 냉각의 양은 사용되는 레이저의 크기 및 종류에 의해 결정되지만, 4-kW Nd:YAG 레이저의 경우 약 190 kW의 냉각 용량일 수 있다. 냉각 서브시스템(320)은 기존 가공수(process water) 또는 냉수(chilled water) 냉각 서브시스템과 같은, 현장 사이트에서의 잉여 냉각 능력을 활용할 수 있다. 대안적으로는, 레이저 생성기(310) 전용의 유닛식(unitary) 냉각 서브시스템(320)이 바람직하게 사용된다. 유닛식 냉각 서브시스템(320)은 공냉식 또는 액냉식(air- or liquid-cooled)일 수 있다.

일부 실시예에서는, 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 냉각 서브시스템(320)이 잉여 열을 제거하기 위해 레이저(310)에 결합된 워터칠러(water chiller)(324) 및 열교환기(322)를 포함하여 레이저 생성기(310)에 충분한 순환식(circulatory) 냉각수를 제공한다. 열교환기(322)는 바람직하게는 물로부터 잉여 열의 일부를 제거하고 물을 다시 워터칠러(324)로 순환시킨다. 워터칠러(324)는 물 을 소정의 온도로 냉각시키고 냉각수를 레이저 생성기(310)로 되돌려 보낸다. 여기에 설명된 실시예에 따른 예시적인 열교환기(322) 및 물 냉각기(water coolers)(324)가 독일 디찡엔의 트럼프 레이저테크닉 사에서 입수가능하다.

레이저 헤드

일부 실시예에서, 레이저 헤드(200)는 레이저 생성기(310)에 결합되어 있고, 조사(irradiated)되는 구조 및 장치(50) 사이의 인터페이스 역할을 한다. 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 에너지 콘딧(energy conduit)(400)이 레이저 헤드(200) 및 레이저 생성기(310)를 결합하고 레이저 생성기(310)로부터 레이저 헤드(200)로의 에너지 전송을 용이하게 한다. 일부 실시예에서, 에너지 콘딧(400)은 레이저 생성기(310)로부터 레이저 헤드(200)로 레이저광을 전송하는 광섬유를 포함한다. 다른 실시예에서, 에너지 콘딧(400)은 광섬유, 전력, 또는 제어 배선 케이블을 포함할 수 있는 도전체를 포함한다. 예시적인 에너지 콘딧(400)은 50 미터 섬유를 포함한다. 일부 실시예에서, 조사되는 표면은 거주가능한 구조 내에 있다. 아래에 보다 온전히 설명되는 바와 같이, 일부 실시예는 거주가능한 구조 내의 다양한 곳으로 이송될 수 있고 거주가능한 구조 내의 상대적으로 작고 밀폐된(enclosed) 공간 내에서 사용될 수 있는, 상대적으로 작고, 소형이며, 경량인 장치를 제공한다.

도 3A는 여기에 설명된 실시예에 따른 레이저 헤드(200)를 개략적으로 도시한다. 레이저 헤드(200)는 커넥터(connector)(210), 적어도 하나의 광학 요소(220), 하우징(230), 및 수용 플레넘(containment plenum)(240)을 포함한다. 일 부 실시예에서, 커넥터(210)는 하우징(230)에 결합되어 있고, 에너지 콘딧(400)을 통해 레이저 생성기(310)와 광학적으로 결합되어 있으며, 레이저 생성기(310)로부터 레이저광을 전송하도록 적응되어 있다. 광학 요소(220)는 커넥터(210), 하우징(230), 또는 수용 플레넘(240) 내에 소재할 수 있다. 도 3A는 광학 요소(220)가 하우징(230) 내에 있는 실시예를 도시한다. 콘딧(400)이 레이저 헤드(200)로 레이저광을 제공하는 실시예에서, 레이저광은 조사되는 구조에 충돌(impinging)하기 전에 광학 요소(220)를 통해 전송된다.

레이저 헤드: 연장된 구성

도 3B는 여기에 설명된 실시예에 따른 레이저 헤드(200)의 한 가지 구성을 개략적으로 도시한다. 하우징(230)은 원접부(distal portion)(232), 각도부(angle portion)(234), 및 근접부(proximal portion)(236)를 포함한다. 여기에 사용된 것에 따라, "원접" 및 "근접"이라는 용어는 이들의 표준적 정의를 가져, 각 부분의 상호작용 영역에 대한 상대적 위치를 일반적으로 가리킨다. 커넥터(210)는 원접부(232)에 결합되어 있는데, 이는 각도부(234)에 결합되어 있고, 이는 근접부(236)에 결합되어 있고, 이는 수용 플레넘(240)에 결합되어 있다. 도 3B에 의해 도시된 것과 같은 구성은 구조(예를 들면, 콘크리트 벽)의 표면을 드릴링 및 스캐블링(scabbling)하는 데 사용될 수 있다. 레이저 헤드(200)의 다양한 부품들은 미시건 주, 파밍턴 힐스(Farmington Hills)의 레이저 메커니즘 사(Laser Mechanisms, Inc.)에서 입수가능하다.

에너지 콘딧(400)이 광섬유를 포함하는 일부 실시예에서, 커넥터(210)는 레 이저 생성기(310)에서 광섬유를 통해 레이저 헤드(200)로 전송된 레이저광을 수신한다. 이러한 실시예 일부에서, 커넥터(210)는 콘딧(400)으로부터 방출되는 발산하는(diverging) 레이저광을 시준(collimates)하는 렌즈(212)를 포함한다. 렌즈(212)는 투과성이고 레이저광을 원하는 양만큼 굴절시킬 다양한 재료를 포함할 수 있다. 이러한 재료는 붕규산염 크라운 유리(borosilicate crown glass, BK7), 석영(quartz, SiO2), 셀렌화아연(ZnSe), 및 염화나트륨(NaCl)을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 렌즈(212)의 재료는 재료의 품질, 비용, 및 안정성에 근거하여 선택될 수 있다. Nd:YAG 레이저로의 투과성 광학(transmissive optics)에는 붕규산염 크라운 유리가 보편적으로 사용되고, CO2 레이저로의 투과성 광학에는 셀렌화 아연이 보편적으로 사용된다.

렌즈(212)는 일부 실시예에서 제거가능한 조립품 내에 실장되어 렌즈(212)의 청소, 유지관리(maintenance), 및 교체를 용이하게 할 수 있다. 또한, 렌즈(212)의 실장은, 광빔(light beam)의 정렬(alignment) 및 포커스(focus)를 최적화하도록, (예를 들어, 나비나사(thumbscrews) 또는 육각나사(Allen hex screws)를 사용하여) 조절가능할 수 있다. 일부 실시예에서, 렌즈(212)는 빔 프로필(beam profile)(예를 들면, 포커싱, 빔 형상)의 추가적 변경을 제공할 수 있다.

일부 실시예의 시준된 레이저광은 그 다음 레이저 헤드(200) 내의 기타 광학 요소를 통하여 레이저 헤드(200)를 통해 전송된다. 일부 실시예에서는, 원접부(232)가 레이저광이 각도부(234)로 전파되기 위해 통과하는 일반적으로 직선인 제1 튜브를 포함하고, 근접부(236)는 각도부(234)로부터의 레이저광이 통과하여 전 파되는 일반적으로 직선인 제2 튜브를 포함한다. 일부 실시예에서는, 원접부(232)가 렌즈(233)를 수용하고, 각도부(234)는 광(light)을 근접부(236) 및 수용 플레넘(240)을 통해 구조 상으로 향하게 하는 거울(235)을 수용한다. 다른 실시예에서는, 광을 근접부(236) 및 수용 플레넘(240)을 통해 구조 상으로 향하게 하는 다른 장치(예를 들면, 프리즘)이 각도부(234) 내에 사용될 수 있다.

렌즈(233)는 일부 실시예에서 제거가능한 조립품 내에 실장되어 렌즈(233)의 청소, 유지관리, 및 교체를 용이하게 할 수 있다. 또한, 렌즈(233)의 실장은, 광빔의 정렬 및 포커스를 최적화하도록, (예를 들어, 나비나사 또는 육각나사를 사용하여) 조절가능할 수 있다. 일부 실시예에서, 렌즈(233)는 렌즈(212)로부터 수신된 광을 포커스하고, 다른 실시예에서는, 렌즈(233)가 빔 프로필(예를 들면, 빔 형상)의 추가적 변경을 제공할 수 있다. 예시적인 렌즈(233)는 600-mm 초점거리 실리카 평볼록(plano-convex) 렌즈(예를 들면, 뉴 멕시코 주, 앨버커키(Albuquerque)의 CVI 레이저 사(CVI Laser Corp.)에서 입수가능한 부품 번호 PLCX-50.8-309.1-UV-1064)를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 렌즈(233)는 투과성인 다양한 재료를 포함할 수 있으며, 레이저광을 원하는 양으로 굴절시킬 것이다. 이러한 재료는 붕규산염 크라운 유리, 석영, 셀렌화아연, 및 염화나트륨을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예시적인 렌즈 실장 조립품은 미시건 주, 파밍턴 힐스의 레이저 메커니즘 사에서 입수가능한 부품 번호 PLALH0097 및 PLFLH0119를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

원접부(232)가 근접부(236)에 대해 실질적으로 직각을 이루는, 도 3B에 의해 개략적으로 도시된 실시예에서는, 거울(235)이 대략 90 도의 각도로 광을 반사시킨다. 다른 실시예는 광을 다른 각도로 반사시키도록 구성되어 있다. 거울(235)은 일부 실시예에서 제거가능한 조립품 상에 실장되어 거울(235)의 청소, 유지관리, 및 교체를 용이하게 할 수 있다. 또한, 거울(235)의 실장은, 광빔의 정렬 및 포커스를 최적화하도록, (예를 들어, 나비나사 또는 육각나사를 사용하여) 조절가능할 수 있다. 일부 실시예에서, 거울(235)은 또한 광빔을 포커스하거나 빔 프로필(예를 들면, 빔 형상)을 기타의 방식으로 변경하도록 굴곡(curvature)을 가지거나 기타의 방식으로 구성될 수 있다. 예시적인 거울(235)은 동거울(copper mirrors)(예를 들면, 미시건 주, 파밍턴 힐스의 레이저 메커니즘 사로부터의 부품 번호 PLTRG19 및 PLTRC0024) 및 금박 동거울(gold-coated copper mirrors)(예를 들면, 레이저 메커니즘 사로부터의 부품 번호 PLTRC0100)와 같은 금속 거울을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예에서는, 유전체-피복 거울(dielectric-coated mirrors)이 사용될 수 있다.

도 3C는 여기에 설명된 실시예에 따른 레이저 헤드(200)의 다른 구성을 개략적으로 도시한다. 하우징(230)은 원접부(232), 제1 각도부(234), 제2 각도부(234'), 및 근접부(236)를 포함한다. 커넥터(210)는 원접부(232)에 결합되어 있는데, 이는 제1 각도부(234)에 결합되어 있고, 이는 제2 각도부(234')에 결합되어 있고, 이는 근접부(236)에 결합되어 있고, 이는 수용 플레넘(240)에 결합되어 있다. 도 3C에 의해 도시된 것과 같은 구성은 공간적으로 제약된 영역에서 구조를 절삭하는 데(예를 들면, 모퉁이 또는 돌출부 근처의 콘크리트 벽의 일부를 절삭하는 데) 사용될 수 있다.

전술된 바와 같이, 일부 실시예에서는, 커넥터(210)가 렌즈(212)를 포함하고 원접부(232)는 튜브형(tubular)이고 렌즈(233)를 수용한다. 도 3C에 의해 도시된 실시예의 제1 각도부(234)는 제1 거울(235)을 수용하는데, 이는 제2 거울(235')을 수용하는 제2 각도부(234')로 광을 향하게 한다. 제2 거울(235')은 튜브형일 수 있는 근접부(236)를 통해 그리고 수용 플레넘(240)을 통해 구조 상으로 광을 향하게 한다. 일부 실시예에서는, 이하 수용 플레넘(240)과 관련하여 보다 온전히 설명되는 바와 같이, 광이 창(window)(243) 및 노즐(nozzle)(244)를 통해 상호작용 영역으로 전송된다. 일부 실시예에서는, 레이저 헤드(200)가 창(243) 및 노즐(244)을 포함하고, 다른 실시예에서는, 창(243) 및 노즐(244)이 수용 플레넘(240)의 부품들이다.

도 3C에 의해 개략적으로 도시된 실시예에서, 제1 거울(235)은 광을 대략 90 도의 각도로 반사시키고, 제2 거울(235')은 광을 대략 -90 도의 각도로 반사시켜 근접부(236)가 원접부(232)에 대해 실질적으로 평행하다. 이러한 실시예에서, 수용 플레넘(240)에 의해 방출되는 광은 원접부(232)를 통해 전파되는 광에 대해 실질적으로 평행하지만 전치(displaced)되어 있다. 다른 실시예에서는 제1 거울(235) 및 제2 거울(235')이 광을 다른 각도로 반사시키도록 구성되어 있다. 일부 실시예는 원접부(232)를 통해 전파되는 광에 대하여 수용 플레넘(240)에 의해 방출된 광에 추가적 전치를 제공하도록 제1 각도부(234) 및 제2 각도부(234') 사이에 직선의 튜브형 부분을 포함한다.

일부 실시예에서는, 원접부(232) 및 제1 각도부(234) 사이의 결합이 회전가능하다. 일부 다른 실시예에서는, 제1 각도부(234) 및 제2 각도부(234') 사이의 결합이 회전가능하다. 이러한 회전가능한 결합은 나비나사에 의해 제자리에 잠길 수 있는 스위블 조인트(swivel joints)를 포함할 수 있다. 이러한 실시예는 수용 플레넘(240)에서 방출되는 광을 선택된 방향으로 향하게 하는 데 있어 추가적 유연성을 제공한다. 일부 실시예에서, 선택된 방향은 비평면성으로서, 광이 원접부(232)를 통해 전파된다.

전술된 바와 같이, 제1 거울(235) 및 제2 거울(235') 중 하나 이상은 일부 실시예에서 제거가능한 조립품에 실장되어 청소, 유지관리, 및 교체를 용이하게 할 수 있다. 또한, 제1 거울(235) 및/또는 제2 거울(235')의 실장은, 광빔의 정렬 및 포커스를 최적화하도록, (예를 들어, 나비나사 또는 육각나사를 사용하여) 조절가능할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 거울(235) 및 제2 거울(235') 중 하나 이상은 또한 광빔을 포커스하거나 빔 프로필(예를 들면, 빔 형상)을 기타의 방식으로 변경하도록 굴곡을 가지거나 기타의 방식으로 구성될 수 있다.

일부 실시예에서, 레이저 헤드(200) 내의 하나 이상의 광학 요소(220)(예를 들면, 렌즈(212), 렌즈(233), 거울(235), 거울(235)')는 수냉식으로 냉각(water-cooled) 또는 공냉식으로 냉각(air-cooled)된다. 냉각수는 레이저 헤드(200) 근처에 소재하고 레이저 헤드(200)에 충분한 수류(water flow)를 제공하는 전용의 열교환기에 의해 공급될 수 있다. 그러한 일부 실시예에서는, 냉각수가 광학 요소(220)에 근접하게 순차적으로 유동하도록, 광학 요소(220) 각각을 위한 냉각수의 콘 딧(conduits)이 직렬로 연결될 수 있다. 다른 실시예에서는, 냉각수의 개별 부분이 다양한 광학 요소(220)에 근접하게 유동하도록, 콘딧이 병렬로 연결된다. 예시적인 열교환기는 위스콘신 주, 애플턴(Appleton)의 밀러 일렉트릭 매뉴팩쳐링(Miller Electric Manufacturing Co.) 사에서 입수가능한 Miller Coolmate™ 4를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 냉각수의 유속(flow rate)은 적어도 분당 대략 0.5 갤런인 것이 바람직하다.

레이저 헤드: 소형 구성

도 20 및 21A-21C는 여기에 설명된 실시예에 따른 레이저 헤드(1200)의 다른 구성을 개략적으로 도시한다. 도 21D는 여기에 설명된 실시예에 따른 레이저 헤드(1200) 및 앵커링 메커니즘(1110)의 예시적인 소형 구성을 도시한다. 레이저 헤드(1200)의 일부 실시예는 한 사람에 의해 조사되는 표면에 대한 상대적인 위치에 놓여지고 이동가능하도록 적응되어 있다. 이러한 실시예 일부에서, 레이저 헤드(1200)와 이하 논의되는 앵커링 메커니즘(1110)의 일부 실시예의 통합형태는 무게가 50 파운드 미만이다. 이러한 실시예 일부는 대략 9.5 인치 깊이까지의 콘크리트에 홀을 드릴하는 데 유리하게 사용된다.

도 20에 의해 도시된 실시예는 조사될 표면에 홀을 드릴링하도록 일반적으로 적응되어 있고, 도 3B 및 3C의 실시예보다 크기 및 무게가 일반적으로 적어, 보다 제약된 공간에 접근하도록 적응된 장치를 제공한다. 또한, 도 20의 실시예는 도 3B 및 3C의 실시예보다 일반적으로 더 단순하고 더 강건(robust)하여 거친 취급(rough handling) 및 비이상적인 작동 조건을 견디도록 적응된 장치를 제공한다.

레이저 헤드(1200)는 일부 실시예에서 일반적으로 직사각형인 하우징(1230)을 포함한다. 레이저 헤드(1200)의 다른 부품들은 하우징(1230) 상에 또는 하우징(1230) 내에 위치한다. 일부 실시예의 하우징(1230)은, 이후 설명되는 바와 같이 조사될 표면에 대해 레이저 헤드(1200)를 상대적으로 위치하도록 적응된 앵커링 메커니즘(1110)에 이탈가능하게 결합되도록 적응된 연결 구조(미도시)를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 하우징(1230)은 대략 12 인치의 길이, 대략 8 인치의 높이, 및 대략 4 인치의 너비를 가진다. 하우징(1230)의 기타 형상 및 치수가 여기에 설명된 실시예와 호환성이 있다.

일부 실시예에서, 레이저 헤드(1200)는 레이저 생성기(310)로부터 레이저 헤드(1200)로 레이저광을 운반하는 콘딧(400)에 결합되도록 적응된 커넥터(1210)를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 커넥터(1210)는 콘딧(400)에 의해 방출된 발산하는 레이저광을 시준하는 렌즈(미도시)를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 렌즈는 대략 23.6 인치(대략 600 밀리미터)의 초점길이를 가지며 조절가능한 렌즈 서랍(lens drawer) 내에 소재한다. 연장된 구성과 관련하여 전술된 바와 같이, 다양한 실시예의 렌즈는 다양한 재료를 포함할 수 있고, 하우징(1230)에 제거가능하게 실장될 수 있고, 하우징(1230)에 조절가능하게 실장될 수 있으며, 빔 프로필의 추가적 변경을 제공할 수 있다.

일부 실시예에서, 레이저 헤드(1200)는 커넥터(1210)로부터의 광을 영이 아닌(non-zero) 제1 각을 통해 반사하도록 적응된 제1 거울(1235) 및 제1 거울(1235)로부터의 광을 영이 아닌 제2 각을 통해 수용 플레넘(240)에 결합되도록 적응된 노즐(1244)로 반사하도록 적응된 제2 거울(1235')을 더 포함한다. 일부 실시예에서는, 도 20에 개략적으로 도시된 바와 같이, 영이 아닌 제1 각은 영이 아닌 제2 각의 마이너스 값과 대략적으로 동일하다. 이러한 이거울(two-mirror) 구성은 가끔 "폴디드 옵틱스(folded optics)"라 불리는데, 거울 사이에 광을 반사시키는 것이 길이를 가진 전파 경로를 더 작은 공간으로 효과적으로 "폴드(folds)"하기 때문이다. 레이저 헤드(1200)의 일부 실시예는 레이저광의 빔 프로필을 변경하도록 적응된 추가적 광학 부품을 포함한다.

연장된 구성과 관련하여 전술된 바와 같이, 제1 거울(1235) 및 제2 거울(1235')의 적어도 하나는 하우징(1230) 내 제거가능하고 조절가능한 조립품 상에 실장된다. 또한, 일부 실시예의 제1 거울(1235) 및 제2 거울(1235')의 적어도 하나는 빔 프로필을 변경하도록 굴곡을 가지거나 기타의 방식으로 구성된다. 일부 실시예의 제1 거울(1235) 및 제2 거울(1235')의 적어도 하나는 냉각 콘딧(cooling conduits)에 의해 제공되는 공기 또는 물에 의해 냉각된다. 예를 들어, 일부 실시예에서는, 레이저 헤드(1200)에 수류가 적어도 분당 대략 0.5 갤런의 속도로 제공된다. 일부 실시예에서, 냉각 콘딧은 하우징(1230) 내에 수용되어, 레이저 헤드(1200)를 덜 부동적(less unwieldy)이 되게 하고 레이저 헤드(1200)를 더 강건하게 만듦으로써 레이저 헤드(1200)의 이송 및 배치를 용이하게 한다. 일부 실시예의 레이저 헤드(1200)는 전기 코드(electrical cord)에 결합되어 레이저 헤드(1200)에 동력을 공급, 그리고/또는 레이저 헤드(1200)로부터 제어기(500)로 센서 신호를 제공하는 전기 커넥터(electrical connector)(1215)를 더 포함한다. 일부 실시예에 서, 레이저 헤드(1200)는 레이저 헤드(1200)의 상태에 관한 정보를 제공하는 하나 이상의 상태등(status lights)(1217)을 더 포함한다.

일부 실시예에서는, 도 21C 및 21D에 나타난 바와 같이, 레이저 헤드(1200)가 하우징(1230)에 결합된 레이저 헤드 핸들(1240)을 포함한다. 레이저 헤드 핸들(1240)은 레이저 헤드(1200)를 선택된 장소로 이송 및 배치하는 것을 용이하게 하도록 적응되어 있다. 레이저 헤드 핸들(1240)의 다른 구성도 여기에 설명된 실시예와 호환성이 있다. 일부 실시예의 레이저 헤드(1200)는 레이저 헤드(1200)를 앵커링 메커니즘(1110)에 이탈가능하게 결합하도록 적응된 커플러(coupler)(1250)를 더 포함한다. 레이저 헤드(1200)의 다른 구성도 여기에 설명된 실시예와 호환성이 있다.

일부 실시예에서, 도 21A-21D에 나타난 것과 같은 레이저 헤드(1200)의 소형 구성("소형 레이저 헤드")은 일부 응용에서 도 3B 및 3C에 나타난 것과 같은 레이저 헤드(200)의 연장된 구성("연장된 레이저 헤드") 대신 유리하게 사용된다. 예를 들어, 구조에 홀을 드릴링하는 경우, 연장된 레이저 헤드(200)는 그 길이 또는 기타 제약(예를 들면, 에너지 콘딧(400) 및 커넥터(210) 사이의 결합의 경직성)에 의해 접근하지 못하는 구역이 있을 수 있다. 소형 레이저 헤드(1200)는 더 작은 부피를 가지므로 더 작은 구역으로의 접근을 가능하게 한다.

또한, 일부 실시예에서, 소형 레이저 헤드(1200)는 레이저 헤드(1200)의 에너지 콘딧(400) 및 커넥터(1210) 사이에 회전식 결합을 제공하도록 적응된 피버팅(pivoting) 시준기 헤드(collimator head)(1250)를 포함하는 에너지 콘딧(400)과 연계하여 사용된다. 이러한 실시예에서, 피버팅 시준기 헤드는 레이저 헤드(1200)가 작은 구역을 접근할 수 있게 함으로써 추가적 유연성을 제공한다. 시준기 헤드는 에너지 콘딧(400)이 레이저광이 레이저 헤드(1200)에 진입하는 방향과 같은 방향을 향하도록 직선일 수 있고, 또는 도 21D에 도시된 바와 같이 에너지 콘딧(400)이 상이한 방향을 향하도록 각을(예를 들면, 90 도) 가질 수 있다. 상이한 향(orientations)을 가진 시준기 헤드를 사용하는 것은 제약된 구역으로의 접근을 제공하기 위해 에너지 콘딧(400)의 다양한 향을 유리하게 허용한다. 여기에 설명된 실시예와 호환성이 있는 예시적인 시준기 헤드가 독일 디찡엔의 트럼프 레이저테크닉 사에서 입수가능하다.

더 나아가, 일부 실시예에서는, 소형 레이저 헤드(1200)가 또한 하우징(1230) 내에 레이저 헤드(1200)의 다양한 센서, 근접 스위치(proximity switches), 및 유량계(flow meters)를 포함한다. 예를 들어, 레이저 헤드(1200)는 레이저 헤드(1200)의 거주가능한 구조의 표면에 대한 접촉 여부, 레이저 헤드(1200)의 앵커링 메커니즘(1110)에 대한 결합 여부, 및 레이저 생성기(310)의 켜짐 또는 시동 여부 중 하나 이상을 판단하는 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 이러한 실시예는 연장된 레이저 헤드(200)보다 일반적으로 더 단순하고 더 강건하여 거친 취급 및 비이상적인 작동 조건을 견디도록 적응된 장치를 제공한다.

레이저 헤드: 경량 구성

도 22A는 앵커링 메커니즘(1110)을 가진 경량 레이저 헤드(2200)를 개략적으로 도시한다. 도 22B는 다른 예시적인 경량 레이저 헤드(2200) 및 앵커링 메커니 즘(1110)을 도시한다. 도 22B에 나타난 바와 같이, 경량 레이저 헤드(2200)는 레이저광이 통과하여 레이저 헤드(2200)로 전송되는 커넥터(2210)를 포함한다. 일부 실시예의 레이저 헤드(2200)는 전기 코드에 결합되어 레이저 헤드(2200)에 동력을 공급, 그리고/또는 레이저 헤드(2200)로부터 제어기(500)로 센서 신호를 제공하는 전기 커넥터(2215)를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 레이저 헤드(2200)는 레이저 헤드(2200)의 상태에 관한 정보를 제공하는 하나 이상의 상태등(2217)을 더 포함한다. 일부 실시예에서는, 레이저 헤드(2200)가 레이저 헤드(2200) 내의 거울, 렌즈, 또는 기타 광학 요소로 냉각수를 제공할 수 있는 냉각선(cooling lines)(2218)에 결합되어 있다.

도 22C는 도 22B의 레이저 헤드(2200)에 결합된 수용 플레넘(240)을 도시한다. 수용 플레넘(240)은 조사되는 표면에 접촉하도록 구성된 탄력성 인터페이스(resilient interface)(246) 및 플레넘 하우징(242)을 포함한다. 일부 실시예에서, 수용 플레넘(240)은 표면의 레이저 조사를 위한 레이저 헤드(2200) 및 수용 플레넘(240)의 배치를 용이하게 하기 위하여 레이저 헤드(2200)로부터 제거가능 및/또는 이를 따라 조절가능하다.

일부 실시예에서, 레이저 헤드(2200)는 140-밀리미터 초점거리 길이를 가지고 시중에서 입수가능한 것으로서, 예를 들면, 독일 디찡엔의 트럼프 레이저테크닉 사에서 입수가능한, 냉각 및 관찰(observation) 포트를 가진 D35 90-도 포커스 헤드(카탈로그 번호 35902090)이다. 일부 실시예의 레이저 헤드(2200)는 대략 6 밀리미커의 지름을 가지는 상대적으로 얕은 홀(예를 들면, 대략 65 밀리미터의 깊이까 지)을 드릴링하도록 적응되어 있다. 일부 실시예에서는, 레이저 헤드/앵커링 메커니즘 통합형태가 10 파운드 미만의 무게를 가지고, 다른 실시예에서는, 이 통합형태가 대략 8 파운드의 무게를 가진다. 일부 실시예에서, 레이저 헤드(2200)는 전술된 바와 같이 하나 이상의 근접 스위치, 및 유량계를 포함한다.

레이저 헤드: 수용 플레넘

일부 실시예에서, 레이저 헤드(200)는 근접부(236)에 결합되고 구조와 인터페이스하는 수용 플레넘(240)을 포함한다. 일부 실시예에서, 수용 플레넘(240)은 구조로부터 제거된 재료(예를 들면, 레이저 가공 중 생성된 파편 및 연무)를 국한하고 상호작용 영역으로부터 재료를 제거하도록 적응되어 있다. 수용 플레넘(240)은 또한 상호작용 영역으로부터 수용 플레넘(240) 밖으로 방출되는 소음 및 광을 (예를 들면, 레이저의 명목위해지역(nominal hazard zone, "NHZ) 내로) 감소시키도록 더 적응되어 있을 수 있다. 수용 플레넘(240)의 한 가지 목표는 노출방출한계(accessible emission limit, "AEL") 또는 최대허용노광(maximum-permissible exposure, "MPE") 한계 초과의 레이저 방사선이 어느 인원의 눈 또는 피부에 도달하지 않을 것을 보장하는 것일 수 있다.

도 4는 여기에 설명된 실시예에 따른 수용 플레넘(240)의 단면도를 개략적으로 도시한다. 도 4의 수용 플레넘(240)은 플레넘 하우징(242), 창(243), 노즐(244), 탄력성 인터페이스(246), 추출 포트(extraction port)(248), 및 압축 기체 유입구(compressed gas inlet)(249)을 포함한다. 플레넘 하우징(242)은 레이저광의 근원(예를 들면, 레이저 헤드(200)의 근접부(236))에 결합될 수 있고, 수용 플레넘(240)의 기타 부품에 대한 구조적 지지를 제공할 수 있다. 플레넘 하우징(242)을 위한 예시적 재료는 얇고 유연한 시트(sheets)의 형태일 수 있는 금속(예를 들면, 알루미늄, 철), 세라믹 재료, 유리 또는 흑연(graphite) 섬유, 및 유리 또는 흑연 섬유로 만든 직물을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예에서, 플레넘 하우징(242)의 가열을 감소시키기 위해 플레넘 하우징(242)은 공냉식으로 냉각되거나 수냉식으로 냉각된다. 플레넘 하우징(242)을 위한 냉매(coolant) 콘딧은 레이저 헤드(200)의 기타 부품을 위한 냉매 콘딧과 직렬로 또는 병렬로 결합될 수 있다.

일부 실시예의 창(243)은 노즐(244)의 상류(upstream)에, 그리고 근접부(236)로부터 구조로의 레이저광의 전파 경로 내에 위치한다. 여기에 사용된 것에 따라, "하류(downstream)" 및 "상류"라는 용어는 그 일상적인 의미를 가져, 레이저광의 전파 방향 및 레이저광의 전파 방향의 반대 방향을 각각 가리킨다. 이러한 실시예에서, 수용 플레넘(240)을 통하여 전파되는 광은 노즐(244)에 도달하기 전에 창(243)에 도달한다. 광이 창(243)을 통해 하류로 전파되는 이러한 실시예에서는, 창(243)이 레이저광에 대해 실질적으로 투명하다. 창(243)은 플레넘 하우징(242) 내에 실장되어 레이저광을 하류 방향으로 전송할 수 있다. 창(243)은 여러 가지 형상을 가질 수 있는데, 이는 사각형 및 원형을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예시적인 창(243)은 실리카 창(예를 들면, 뉴 멕시코 주, 앨버커키의 CVI 레이저 사에서 입수가능한 부품 번호 W2-PW-2037-UV-1064-0)을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

레이저 헤드(200)의 광학 요소 상의 분진 및/또는 불순물(dirt)는 레이저광의 상당한 부분을 흡수하여 불균일한(nonuniform) 가열을 초래할 수 있는데, 이는 광학 요소를 손상시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 창(243)은 플레넘 하우징(242) 내에 실장되어 레이저광 및 구조의 상호작용에 의해 생성되는 분진, 연기, 또는 기타 미립 물질(particulate matter)의 상류 이송에 대한 방벽(barrier)을 제공한다. 이러한 방법으로, 창(243)은 레이저 헤드(200)의 기타 부분 내의 상류 광학 요소의 보호를 용이하게 할 수 있다.

창(243)은 일부 실시예에서 제거가능한 조립품 내에 실장되어 창(243)의 청소, 유지관리, 및 교체를 용이하게 할 수 있다. 일부 실시예에서는, 창(243)이 근접부(236)로부터 수신한 광을 포커스하고, 다른 실시예에서는, 창(243)이 빔 프로필(예를 들면, 빔 형상)의 추가적 변경을 제공할 수 있다. 이러한 실시예에서, 창(243)의 실장은, 광빔의 정렬 및 포커스를 최적화하도록, (예를 들어, 나비나사 또는 육각나사를 사용하여) 조절가능할 수 있다. 예시적인 창 실장 조립품은 미시건 주, 파밍턴 힐스의 레이저 메커니즘 사로부터의 부품 번호 PLALH0097 및 PLFLH0119를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예에서는, 창(243)이 공냉식으로 냉각되거나 수냉식으로 냉각된다.

창(243)을 통해 전송된 레이저광은 노즐(244)을 통해 구조의 상호작용 영역을 해야 방출된다. 레이저광은 노즐(244)의 개구부 근처에서 포커스될 수 있다. 노즐(244)을 위한 예시적 재료는 금속(예를 들면, 구리)를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예에서는, 노즐(244)의 가열을 감소시키기 위해 노즐(244) 이 공냉식으로 냉각되거나 수냉식으로 냉각된다. 노즐(244)을 위한 냉매 콘딧은 레이저 헤드(200)의 기타 부품을 위한 냉매 콘딧과 직렬로 또는 병렬로 결합될 수 있다.

노즐(244)을 통해 전파되는 레이저광은, 노즐(244)을 지나치게 가열 및 손상시키는 것을 방지하기 위해, 바람직하게는 노즐(244)에 충돌("클리핑(clipping)"이라 함)하지 않는다. 레이저 헤드(200)를 통한 레이저광의 부적당한 정렬은 클리핑을 야기할 수 있다. 노즐(244)의 개구부는, 레이저광이 노즐(244)과 상당히 상호작용하지 않도록 충분히 크다. 일부 실시예에서, 노즐(244)은 지름이 대략 0.3 인치이다.

일부 실시예에서, 수용 플레넘(240)의 탄력성 인터페이스(246)는 구조에 접촉하고 상호작용 영역을 실질적으로 에워싸도록 적응되어 있어 상호작용 영역으로부터 재료의 국한 및 제거를 용이하게 한다. 또한, 탄력성 인터페이스(246)는 광 및/또는 음(sound)이 수용 플레넘(240) 외부로 새어나가지 않도록 차단하는 것을 용이하게 할 수 있다. 예시적인 탄력성 인터페이스(246)는 와이어 브러쉬(wire brush) 또는 고무 밀봉(rubber seal)(예를 들면, 벌브 밀봉(bulb seal))을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 와이어 브러쉬는 열, 광, 용융 재료(molten materials), 및 상호작용 영역의 기타 환경적 측면을 견딜 수 있는 금속 재료를 포함한다. 고무 밀봉은 열, 광, 용융 재료, 및 상호작용 영역의 기타 환경적 측면을 견딜 수 있는 고무 재료를 포함한다. 여기의 개시 사항을 고려할 때, 당분야에서 통상의 지식을 가진 자는 여기에 설명된 실시예에 따라 탄력성 인터페이스(246)를 위한 적절한 재료를 선택할 수 있다.

일부 실시예에서, 수용 플레넘(240)의 추출 포트(248)는 작동 중 상호작용 영역 내에서 생성되는 재료(예를 들면, 기체, 증기, 분진, 및 파편)의 상당한 부분을 추출하도록 적응되어 있다. 추출 포트(248)는 진공을 발생시켜 상호작용 영역으로부터 재료(예를 들면, 부유 입자, 기체, 및 증기)를 인발하는 진공 생성기(미도시)에 결합될 수 있다. 이러한 방법으로, 추출 포트(248)는 수용 플레넘(240)으로부터의 재료 제거를 위한 경로를 제공할 수 있다.

일부 실시예에서는, 압축 기체 유입구(249)가 수용 플레넘(240)에 압축 기체(예를 들면, 공기)를 제공하도록 적응되어 있다. 일부 실시예에서, 압축 기체 유입구(249)는 압축 기류(compressed gas stream)를 상호작용 영역으로 향하게 하도록 적응된 노즐(244)에 유체적으로(fluidly) 결합되어 있다. 일부 실시예에서는, 압축 기체가 노즐(244)을 통해 레이저광과 동축으로(coaxially) 유동한다. 일부 실시예의 창(243)은 압축 기체가 맞대어 압력을 가하는 표면을 제공한다. 이러한 방법으로, 압축 기체는 선택된 압력 및 속도로 노즐(244)을 통해 상호작용 영역으로 유동할 수 있다.

압축 기체 유입구(249)로부터 노즐(244)을 통해 유동하는 압축 기체는 분진, 파편, 연기, 및 기타 미립 물질이 노즐(244)에 진입하는 것을 억제하는 데 사용될 수 있다. 이러한 방법으로, 압축 기체는 이러한 미립 물질로부터 창(243)을 보호하는 것을 용이하게 할 수 있다. 또한, 상호작용 영역으로부터 재료의 제거 및/또는 상호작용 영역의 냉각을 용이하게 하도록, 압축 기체는 노즐(244)에 의해 상호작용 영역으로 향하게 될 수 있다. 노즐(244)은 이러한 방식으로 구조가 높은 퍼센트 비율의 Si를 가진 콘크리트를 포함하는 실시예에서 사용되어, 결과적 유리질(glassy) 슬래그가 충분히 점성(viscous)이고 상호작용 영역으로부터 제거하기가 더 어렵도록 할 수 있다.

일부 실시예에서, 창(243)의 표면이 오염되고 불균일한 가열에 의해 창(243)이 잠재적으로 손상되는 것을 방지하도록, 압축 공기는 실질적으로 기름기(oil), 습기(moisture), 또는 기타 오염물이 실질적으로 없다. 기구 품질(instrument quality, "IQ") 압축 공기의 예시적 근원은 노스 캐롤라이나 주, 데이빗슨(Davidson)의 잉게르솔-랜드 에어 솔루션 그룹(Ingersoll-Rand Air Solutions Group)으로부터 입수가능한 300-IQ 공기 압축기이다. 압축 공기의 근원은, 부분적으로 공기를 인가하는 호스(hose)의 길이, 및 공기를 사용하는 부품의 수 및 그 요구사항에 의해 결정되는, 충분한 유속으로 공기를 제공하는 것이 바람직하다.

일부 실시예에서, 공기 압축기는 레이저 헤드(200)로부터 수백 피트 떨어져 소재할 수 있다. 이러한 실시예에서, 압축 공기의 근원은 공기 콘딧 또는 호스 내에 응축하는 습기의 양을 감소시키도록 공기 압축기 및 레이저 헤드(200) 사이에 공기 건조기(air dryer)를 포함할 수 있다. 여기에 설명된 실시예에 따른 예시적인 공기 건조기는 펜실베니아 주, 웨스트 체스터(West Chester)의 젝스 컴프레스드 에어 솔루션즈(Zeks Compressed Air Solutions) 사에서 입수가능한 400 HSB 공기 건조기이다.

일부 실시예에서는, 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같이, 레이저 헤드(200)가 레이저 헤드(200)와 상호작용 영역 사이의 상대적 거리를 측정하도록 적응된 센서(250)를 포함한다. 도 5는 수용 플레넘(240)이 센서(250)를 포함하는 실시예를 개략적으로 도시하지만, 센서(250)의 다른 장소도 여기에 설명된 실시예와 호환성이 있다. 구조로부터 재료가 제거됨에 따라, 상호작용 영역은 구조 내로 연장된다. 센서(250)는 그 다음 구조의 표면으로부터 상호작용 영역의 깊이의 측정치를 제공한다. 센서(250)는 이 거리를 판단하는 데 다양한 기술을 사용할 수 있는데, 이는 음향 센서, 적외선 센서, 촉각 센서(tactile sensors), 및 이미징 센서(imaging sensors)를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 레이저 스캐블링 또는 머시닝(machining)이 수행되는 일부 실시예에서는, 레이저 헤드(200)와 가공되는 표면 사이의 거리를 판단하는 데 다이오드 레이저를 포함하고 삼각측량(triangulation)을 활용하는 센서(250)가 사용될 수 있다. 이러한 센서(250)는 또한 표면으로부터 제거되는 재료의 양의 측정치를 제공할 수 있다.

일부 실시예에서, 센서(250)는 제어기(500)에 결합되어 있고, 제어기(500)는 센서(250)로부터의 신호에 대응하여 레이저 베이스 유닛(300)으로 제어 신호를 전송하도록 적응되어 있다. 레이저 베이스 유닛(300)은 제어 신호에 대응하여 레이저광의 하나 이상의 파라미터(parameters)를 조절하도록 적응될 수 있다. 이러한 방법으로, 센서(250)로부터의 깊이 정보는 실시간으로 레이저광의 초점(focus) 또는 기타 파라미터를 조절하는 데 사용될 수 있다.

다른 실시예에서, 제어기(500)는 센서(250)로부터의 신호에 대응하여 레이저 조종 시스템(100)으로 제어 신호를 전송하도록 적응되어 있다. 레이저 조종 시스템(100)은 제어 신호에 대응하여 레이저 헤드(200)와 상호작용 영역 사이의 상대적 거리를 조절하도록 적응되어 있다. 또한, 레이저 조종 시스템(100)은 제어 신호에 대응하여 구조의 표면을 따라 레이저 헤드(200)의 위치를 조절하도록 적응되어 있을 수 있다. 이러한 방법으로, 제1 장소에서의 센서(250)로부터의 깊이 정보는 제1 장소에서 원하는 깊이가 달성되면 실시간으로 레이저광을 다른 장소로 이동시키는 데 사용될 수 있다.

다른 실시예에서, 센서(250)는 상호작용 영역의 깊이를 판단하기 위해 통계적 방법과 연계하여 사용된다. 이러한 실시예에서, 센서(250)는 우선 측정 단계(measurement phase)에서 침투 깊이(penetration depths)를 일정 가공 파라미터(예를 들면, 가공되는 재료, 광도(light intensity))와 상관(correlates)시키는 통계 데이터(statistical data)를 개발하는 데 사용된다. 측정 단계 중, 가공될 구조의 표면을 지시하는(indicative) 실험 또는 샘플 표면을 가공하기 위해 선택된 가공 파라미터가 체계적으로 변화(varied)된다. 측정 단계에서 센서(250)는 이러한 가공 파라미터에 상응하는 상호작용 영역의 깊이를 판단하는 데 사용된다. 이러한 실시예에서, 센서(250)는 레이저 헤드(200)와 별개일 수 있고, 구조의 가공 중에 또는 상호작용 영역의 깊이를 측정하기 위해 가공이 일시적으로 정지(halted)된 기간 중에 사용될 수 있다. 이러한 실시예와 호환성이 있는 예시적인 센서(250)는 캘리퍼스(calipers) 또는 상호작용 영역의 깊이를 판단하기 위해 결과적 홀에 삽입되는 기타 수동 측정 장치를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

일부 실시예에서, 제어기(500)는 가공 파라미터 및 상호작용 영역의 깊이 사이의 상관관계에 관한 이러한 결과적 통계 데이터를 수용한다. 이어지는 가공 단계 중에 구조가 가공되는데, 이 때 센서(250)를 사용하는 대신, 제어기(500)가 사용되고 있는 특정 가공 파라미터에 상응하는 통계 데이터에 접근함으로써 상대적 거리를 판단하도록 적응될 수 있다. 이러한 접근법은 구조를 가공하는 동안 상호작용 영역의 깊이를 판단하기 위한 신뢰성 있고 비용 효과적인(cost-effective) 접근법을 대표한다.

대안적인 실시예에서는, 센서(250)가 레이저 헤드(200)와 구조의 표면 사이의 거리의 측정치를 제공하도록 적응되어 있다. 이러한 실시예에서, 센서(250)는 레이저 헤드(200)와 구조 사이의 상대적 거리가 소정의 거리를 초과하는 것을 탐지할 때 제어기(500)에 중지 조건 신호(fail condition signal)를 제공하도록 적응될 수 있다. 이러한 중지 조건은 부주의로 장치(50)가 구조로부터 떨어지는 것의 결과일 수 있다. 제어기(500)는 레이저 베이스 유닛(300) 및 레이저 헤드(200) 사이의 에너지 전송을 정지하도록 레이저 베이스 유닛(300)에 적절한 신호를 보냄으로써 중지 조건 신호에 대응하도록 적응될 수 있다. 일부 실시예에서는, 레이저 헤드(200)가 구조의 표면으로부터 1 센티미터보다 많이 떨어져 있을 때 전송이 바람직하게 정지된다. 이러한 방법으로, 장치(50)는 수용 플레넘(240)이 구조에 접촉하지 않는 한 레이저광이 방출되지 않을 것을 보증하도록 센서(250)를 활용할 수 있다. 일부 실시예에서, 센서(250)는 장치(50)가 구조에 부착되어 있는 동안 구조의 표면에 접촉하는 근접 스위치를 포함한다.

레이저 조종 시스템(LMS)

LMS: 통합 앵커링 메커니즘 및 배치 메커니즘

일부 실시예에서, 레이저 조종 시스템(100)은, 가공될 표면에 일반적으로 평행한 명료한(articulated) 로봇 운동을 제공하도록, 구조에 대해 레이저 헤드(200)를 정확하고 반복적으로 위치하는 역할을 한다. 이를 위해, 레이저 조종 시스템(100)은 가공될 구조에 이탈가능하게 고정될 수 있고, 그 다음 그 표면에 근접하게 레이저 헤드(200)를 정확하게 이동시킬 수 있다. 도 6A 및 6B는 레이저 조종 시스템(100)이 구조에 이탈가능하게 결합되도록 적응된 앵커링 메커니즘(110) 및 앵커링 메커니즘(110)에 결합되고 레이저 헤드(200)에 결합된 배치 메커니즘(121)을 포함하는 일 실시예의 두 반대편 입면 사시도를 개략적으로 도시한다. 일부 실시예에서, 레이저 조종 시스템(100)은 이송, 보관, 또는 유지관리를 위해 유리하게 분해 및 재조립될 수 있다.

앵커링 메커니즘

레이저 조종 시스템(100)의 일부 실시예는 레이저 조종 시스템(100)을 가공될 구조에 이탈가능하게 고정하도록 앵커링 메커니즘(110)을 포함한다. 앵커링 메커니즘(110)은 구조에 이탈가능하게 결합되도록 적응될 수 있고, 하나 이상의 부착 인터페이스(111)를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 앵커링 메커니즘(110)은 거주가능한 구조 내의 표면에 이탈가능하게 결합되어 있다. 이러한 실시예는 유리하게 장치가 거주가능한 구조 내의 표면을 가공하는 데 사용될 수 있게 한다. 일부 실시예에서, 앵커링 메커니 즘(110)은 레이저광으로 조사되는 표면에 이탈가능하게 결합된다. 이러한 실시예 일부는 유리하게 장치가 거주가능한 구조 내의 또는 외부의 상대적으로 작은, 밀폐된 공간에서 사용될 수 있게 한다.

도 6B에 개략적으로 도시된 실시예에서, 앵커링 메커니즘(110)은 한 쌍의 부착 인터페이스(111)를 포함한다. 각 부착 인터페이스(111)는 적어도 하나의 탄력성 진공 패드(112), 적어도 하나의 인터페이스 실장 장치(114), 적어도 하나의 진공 콘딧(116), 적더도 하나의 실장 커넥터(118), 및 앵커링 메커니즘(110)의 부착 인터페이스(111)를 배치 메커니즘(121)에 결합하도록 적응된 커플러(119)를 포함한다. 도 6A 및 6B에 개략적으로 도시된 실시예는 두 부착 인터페이스(111) 각각에 두 개의 진공 패드(112)를 가지지만, 다른 실시예는 어떠한 구성 또는 수의 부착 인터페이스(111) 및 진공 패드(112)도 활용할 수 있다.

도 7에 의해 도시된 실시예에서는, 두 개의 진공 패드(112)가 인터페이스 실장 장치(114)에 결합되어 있다. 일부 실시예에서, 각 진공 패드(112)는 구조 상에 놓일 때 효과적으로 기밀 영역(air-tight region)을 형성하는 원형 고무 패드를 포함한다. 각 진공 패드(112)는 진공 콘딧(116)(예를 들면, 유연성 호스)을 통해 적어도 하나의 진공 생성기(미도시)에 유체적으로 결합되어 있다. 진공 생성기는 유체 동력(예를 들면, 압축 공기)을 사용하여 진공을 생성할 수 있고, 또는 외부 진공원(vacuum source)을 사용할 수 있다. 진공 생성기는 진공 콘딧(116)을 통해 진공 패드(112) 및 구조 사이의 기밀 영역으로부터 공기를 빨아내어, 기밀 영역 내에 진공을 발생시킨다. 대기압은 진공 패드(112)를 구조에 역전가능하게(reversibly) 고정시키는 힘을 제공한다.

인터페이스 실장 장치(114)는 진공 패드(112), 실장 커넥터(118), 및 커플러(119)가 실장되는 경직성 금속 지지물(support)을 포함한다. 일부 실시예에서, 실장 커넥터(118)는 이하 보다 온전히 설명되는 바와 같이 지상식(ground-based) 지지 시스템(700)에 이탈가능하게 부착되도록 적응된 지상식 지지 커넥터(118a)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서는, 실장 커넥터(118)가 적어도 하나의 현수식(suspension-based) 지지 시스템(800)에 이탈가능하게 부착되도록 적응된 현수식 지지 커넥터(118b)를 포함할 수 있다. 커플러(119)는 인터페이스 실장 장치(114)를 배치 메커니즘(121)에 이탈가능하게 결합하도록 적응되어 있다. 일부 실시예에서, 커플러(119)는 배치 메커니즘(121) 내의 적어도 하나의 상응하는 리세스(recess)에 연결가능한 적어도 하나의 돌출부를 포함한다.

대안적인 실시예에서, 앵커링 메커니즘(110)은 가공될 구조에 장치(50)를 앵커링하기 위한 기타 기술을 포함할 수 있다. 이러한 기타 기술은 윈치(winch), 장치(50)에 고정된 또는 탱크식 트레드(quasi-tank treads) 상의 흡입 장치(예를 들면, 컵(cups), 게코매트(gekkomats), 또는 스커트(skirts)), 구조로부터 현수되는(suspended) 이동식 비계(mobile scaffolding), 및 경직성 사다리를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 기술은 또한 앵커링 메커니즘(110)의 일부 실시예와 서로 복합하여 사용될 수도 있다.

배치 메커니즘

레이저 조종 시스템(100)의 일부 실시예는 가공될 구조에 근접한 동안 레이 저 헤드(200)를 정확하게 이동시키도록 배치 메커니즘(121)을 포함한다. 도 8은 배치 메커니즘(121)과 앵커링 메커니즘(110)의 부착 인터페이스(111)의 일 실시예의 분해도를 개략적으로 도시한다. 도 8의 배치 메커니즘(121)은 제1축 배치 시스템(130), 제2축 배치 시스템(150), 인터페이스(140), 및 레이저 헤드 리시버(laser head receiver)(220)를 포함한다. The 제1축 배치 시스템(130)은 적어도 하나의 커플러(132)로 앵커링 메커니즘(110)의 부착 인터페이스(111)에 이탈가능하게 결합되어 있다. (도 8의 실시예에서는 제1 피스(piece)(140a) 및 제2 피스(140b)을 포함하는) 인터페이스(140)는 제2축 배치 시스템(150)을 제1축 배치 시스템(130)에 이탈가능하게 결합시킨다. 레이저 헤드 리시버(220)는 제2축 배치 시스템(150)에 이탈가능하게 결합되어 있고, 레이저 헤드(200)의 하우징(230)에 이탈가능하게 결합되도록 적응되어 있다.

일부 실시예에서, 제1축 배치 시스템(130)은 앵커링 메커니즘(110)의 커플러(119)의 적어도 하나의 상응하는 돌출부에 이탈가능하게 연결가능한 리세스를 가지는 적어도 하나의 커플러(132)를 포함한다. 이러한 실시예는 배치 메커니즘(121)의 이송, 보관, 또는 유지관리를 위해 유리하게 분해 및 재조립된다. 다른 실시예에서는 제1축 배치 시스템(130)이 앵커링 메커니즘(110)에 고정되게 결합될 수 있다.

일부 실시예에서, 제1축 배치 시스템(130)은 레이저 헤드(200)를 구조의 표면에 실질적으로 평행한 제1 방향으로 이동시킨다. 도 9에 의해 개략적으로 도시된 실시예에서, 제1축 배치 시스템(130)은 제1 레일(rail)(134), 제1 구동 기(drive)(136), 및 제1 스테이지(stage)(138)를 더 포함한다. 제1 스테이지(138)는 제1 구동기(136)의 영향 하에 제1 레일(134)에 이동가능하게 결합되어 있다. 인터페이스(140)의 제1 피스(140a)는 제1 스테이지(138)에 고정되게 결합되어 제1 구동기(136)가 제1 레일(134)을 따라 인터페이스(140)를 이동시키는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서는, 제1축 배치 시스템(130)이 제1 레일(134) 상의 제1 스테이지(138)의 위치에 관한 정보를 제공하는 센서, 리밋 스위치(limit switches), 또는 기타 장치를 더 포함한다. 이 정보는 이 정보에 대응하여 제1 구동기(136) 또는 레이저 조종 시스템(100)의 기타 부품에 제어 신호를 전송하도록 적응된 제어기(500)에 제공될 수 있다.

예시적인 제1 구동기(136)는 수압(hydraulic) 구동기, 공압(pneumatic) 구동기, 전자기계식(electromechanical) 구동기, 스크루(screw) 구동기, 및 벨트(belt) 구동기를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 여기에 설명된 실시예와 호환성이 있는 제1 레일(134), 제1 구동기(136), 및 제1 스테이지(138)가 미네소타 주, 하멜(Hamel)의 톨오마틱(Tol-O-Matic, Inc.) 사에서 입수가능하다. 제1 레일(134), 제1 구동기(136), 및 제1 스테이지(138)의 다른 종류 및 구성도 여기에 설명된 실시예와 호환성이 있다.

일부 실시예에서, 제2축 배치 시스템(150)은 레이저 헤드(200)를 구조의 표면에 실질적으로 평행한 제2 방향으로 이동시킨다. 제2 방향은 일부 실시예에서 제1축 배치 시스템(130)의 제1 방향에 실질적으로 직각을 이룬다. 도 10에 의해 개략적으로 도시된 실시예에서, 제2축 배치 시스템(150)은 제2 레일(152), 제2 구동 기(154), 및 제2 스테이지(156)를 포함한다. 일부 실시예에서, 제1축 배치 시스템(130) 및 제2축 배치 시스템(150)은 레이저 헤드(200)의 선형 이동(linear movements)을 제공한다. 다른 실시예에서는, 제1축 배치 시스템(130) 및 제2축 배치 시스템(150)은 각각 레이저 헤드(200)의 원형 및 축방향 이동을 제공한다.

일부 실시예에서, 제2 스테이지(156)는 제2 구동기(154)의 영향 하에 제2 레일(152)에 이동가능하게 결합되어 있다. 레이저 헤드 리시버(220)는 제2 스테이지(156)에 이탈가능하게 결합되어 제2 구동기(154)가 제2 레일(152)을 따라 레이저 헤드 리시버(220)를 이동시키는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서는, 제2축 배치 시스템(150)이 제2 레일(152) 상의 제2 스테이지(156)의 위치에 관한 정보를 제공하는 센서, 리밋 스위치, 또는 기타 장치를 더 포함한다. 이 정보는 이 정보에 대응하여 제2 구동기(154) 또는 레이저 조종 시스템(100)의 기타 부품에 제어 신호를 전송하도록 적응된 제어기(500)에 제공될 수 있다.

예시적인 제2 구동기(154)는 수압 구동기, 공압 구동기, 전자기계식 구동기, 스크루 구동기, 및 벨트 구동기를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 여기에 설명된 실시예와 호환성이 있는 제2 레일(152), 제2 구동기(154), 및 제2 스테이지(156)가 미네소타 주, 하멜의 톨오마틱 사에서 입수가능하다. 제2 레일(152), 제2 구동기(154), 및 제2 스테이지(156)의 다른 종류 및 구성도 여기에 설명된 실시예와 호환성이 있다.

일부 실시예에서, 제2 레일(152)은 인터페이스(140)의 제2 피스(140b)에 고정되게 결합되어 있다. 제2 피스(140b)는 인터페이스(140)의 제1 피스(140a)의 적 어도 하나의 상응하는 돌출부에 이탈가능하게 연결가능한 적어도 하나의 리세스를 포함할 수 있다. 이러한 실시예는 배치 메커니즘(121)의 이송, 보관, 또는 유지관리를 위해 유리하게 분해 및 재조립된다. 다른 실시예에서, 인터페이스(140)는 제1 스테이지(138) 및 제2 레일(152) 중 하나 이상에 이탈가능하게 결합된 단일 피스로 만들어질 수 있다. 기타 실시예는 편리한 분해를 위해 구성되어 있지 않다(예를 들면, 단일 피스로 만들어진 인터페이스(140)를 가지고 제1 스테이지(138) 및 제2 레일(152) 모두에 고정되게 결합).

일부 실시예에서, 인터페이스(140)는 제1 레일(134) 및 제2 레일(152) 사이의 상대적 향을 조절하도록 틸트 메커니즘(tilt mechanism)(144)을 포함한다. 도 11A에 개략적으로 도시된 바와 같이, 인터페이스(140)의 제1 피스(140a)는 제1 레일(134) 상의 제1 스테이지(138)에 결합되어 있고, 인터페이스(140)의 제2 피스(140b)의 상응하는 리세스와 결합하도록 적응된 한 쌍의 돌출부(142)를 포함한다. 틸트 메커니즘(144)은 제1 평판(plate)(145), 힌지(hinge)(146), a 제2 평판(147), 및 한 쌍의 지지 브레이스(support braces)(148)를 포함한다. 제1 평판(145)은 제1 스테이지(138)에 고정되게 실장되어 있고, 앵커링 메커니즘(110)이 실장된 표면에 실질적으로 평행하다. 제2 평판(147)은 힌지(146)에 의해 제1 평판(145)에 피봇식으로(pivotally) 결합되어 있고, 지지 브레이스(148)에 의해 제자리에 잠길 수 있다.

도 11A에서, 틸트 메커니즘(144)은 제1 평판(145) 및 제2 평판(147)이 실질적으로 서로 평행하도록 구성되어 있다. 이 구성에서, 레이저 헤드(200)의 제1 방 향 및 제2 방향에 의해 정의되는 이동의 평면(plane of movement)은 앵커링 메커니즘(110)이 결합된 표면에 실질적으로 평행하다. 도 11B에서, 틸트 메커니즘(144)은 제2 평판(147)이 제1 평판(145)에 대해 영이 아닌 각(예를 들면, 90 도)으로 있도록 구성되어 있다. 이 구성에서, 레이저 헤드(200)의 제1 방향 및 제2 방향에 의해 정의되는 이동의 평면은 앵커링 메커니즘(110)이 결합된 표면에 대해 영이 아닌 각을 가진다.

일부 실시예에서, 레이저 헤드 리시버(220)는 레이저 헤드(200)의 하우징(230)에 이탈가능하게 결합되어 있다. 도 12는 여기에 설명된 실시예와 호환성이 있는 레이저 헤드 리시버(220)를 개략적으로 도시한다. 레이저 헤드 리시버(220)는 제2 스테이지(156)에 결합되어 있고, 이탈가능한 클램프(clamp)(222) 및 제3축 배치 시스템(224)을 포함한다. 클램프(222)는 레이저 헤드(200)의 하우징(230)을 쥐도록 적응되어 있다. 제3축 배치 시스템(224)은 레이저 헤드(200)와 가공되는 구조 사이의 상대적 거리를 조절하도록 적응되어 있다. 일부 실시예에서, 제3축 배치 시스템(224)은 클램프(222)를 제2 레일(152)에 실질적으로 직각으로 이동하는 스크루 구동기를 포함한다. 일부 실시예에서는, 도 12에 개략적으로 도시된 바와 같이, 스크루 구동기가 손잡이(226)에 의해 수동으로 발동되는데, 이는 회전되어 클램프(222)를 이동시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 스크루 구동기는 제어기(500)로부터의 제어 신호에 대응하는 장비에 의해 자동으로 제어된다.

지상식 지지 시스템

일부 실시예에서, 장치(50)는 장치(50)에 이탈가능하게 결합된 지상식 지지 시스템(700)과 함께 활용될 수 있다. 인터페이스 실장 장치(114)는 지상식 지지 시스템(700)에 이탈가능하게 결합하도록 적응된 지상식 지지 커넥터(118a)를 각각 포함할 수 있다. 지상식 지지 시스템(700)은 시중에 입수가능한 리프팅(lifting-) 또는 배치 타입 시스템과 같은 다양한 종류의 외부 붐(boom) 시스템에 유리하게 부착되는데, 이는 장치(50)의 무게의 일부를 지지하여 앵커링 메커니즘(110)에 의해 지지되는 하중을 감소시킬 수 있다. 지상식 지지 시스템(700)은 실질적으로 수직인 표면에서(예를 들면, 벽) 또는 실질적으로 수평인 표면(예를 들면, 천장)에서 장치(50)의 사용을 용이하게 하는 데 사용될 수 있다.

일부 실시예에서, 지상식 지지 시스템(700)은 도 13에 개략적으로 도시된 것과 같은 지지 구조(710)를 포함한다. 도 13의 지지 구조(710)는 붐 커넥터(712), 회전 마운트(rotational mount)(714), 스프레더 부재(spreader member)(716), 한 쌍의 주요 기둥(primary posts)(718), 및 한 쌍의 보조 기둥(auxiliary posts)(720)을 포함한다. 붐 커넥터(712)는 선택된 외부 붐 시스템에 부착되도록 적응되어 있다. 붐 커넥터(712)가 지지 구조(710)에 대하여 유리하게 회전될 수 있도록, 회전 마운트(714)는 붐 커넥터(712)에 회전가능하게 결합되고 스프레더 부재(716)에 고정되게 결합되도록 적응되어 있다.

주요 기둥(718)은 스프레더 부재(716)에 결합되어 있고 서로에 대해 실질적으로 평행하다. 각 주요 기둥(718)은 인터페이스 실장 장치(114)의 지상식 지지 커넥터(118a) 중 하나에 결합되도록 적응되어 있다. 주요 기둥(718)은 지상식 지지 커넥터(118a)와 정렬되도록 각각 다양한 위치에서 스프레더 부재(716)에 결합될 수 있다. 각 주요 기둥(718)은 또한 보조 기둥(720)에 결합되어 있고 이에 대해 실질적으로 직각을 이룬다. 이러한 실시예에서는, 주요 기둥(718)이 지상식 지지 커넥터(118a)에 결합되게 하는 것보다는, 보조 기둥(720)이 지상식 지지 커넥터(118a)에 결합되게 하여 지지 구조(710)를 효과적으로 앵커링 메커니즘(110)에 대해 90 도 회전시킬 수 있다. 이러한 실시예는 다양한 구성의 구조를 가공하기 위한 조절가능성을 유리하게 제공하고 특정 응용에 가장 적합한 대안적 구성을 허용한다.

현수식 지지 시스템

대안적으로, 장치(50)는 장치(50)에 이탈가능하게 결합된 현수식 지지 시스템(800)과 함께 활용될 수 있다. 인터페이스 실장 장치(114)는 현수식 지지 시스템(800)에 이탈가능하게 결합하도록 적응된 적어도 하나의 현수식 지지 커넥터(118b)를 각각 포함할 수 있다. 현수식 지지 시스템(800)은 유리하게 장치(50)의 무게의 일부를 지지하여 앵커링 메커니즘(110)에 의해 지지되는 하중을 감소시킬 수 있다. 현수식 지지 시스템(800)은 실질적으로 수직인 표면에서(예를 들면, 벽) 장치(50)의 사용을 용이하게 하는 데 사용될 수 있다.

일부 실시예에서는, 도 14A에 개략적으로 도시된 바와 같이, 현수식 지지 시스템(800)이 윈치(810), 일차(primary) 케이블(812), 및 한 쌍의 이차(secondary) 케이블(814)을 포함한다. 윈치(810)는 가공될 구조의 옥상(roof) 또는 기타 부분에 위치한다. 윈치(810)는 일차 케이블(812)에 결합되어 있는데, 이는 이차 케이블(814)에 결합되어 있다. 이차 케이블(814)은 각각 앵커링 메커니즘(110)의 인터페이스 실장 장치(114)의 현수식 지지 커넥터(118b)에 결합되어 있다. 도 14B는 현 수식 지지 커넥터(118b)를 가지는 장치의 일 실시예를 개략적으로 도시한다. 그 다음으로 윈치(810)를 활용하여 일차 케이블(814)의 작업 길이(working length)를 짧게 또는 길게 함으로써 장치(50)가 하강 또는 상승될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 지상식 지지 커넥터(118a)는 현수식 지지 커넥터(118b) 역할도 하도록 구성될 수 있다.

LMS: 단순화된 앵커링 메커니즘

도 21A-21D는 여기에 설명된 실시예에 따른 다른 앵커링 메커니즘(1110)을 개략적으로 도시한다. 앵커링 메커니즘(1110)은 구조에 이탈가능하게 결합되도록 적응된 탄력성 진공 패드(1112), 레이저 헤드(1200)에 이탈가능하게 부착되도록 적응된 커플러(1114), 및 손잡이(1116)를 포함한다. 전술된 4-진공-패드 앵커링 메커니즘(110) 및 다축(multiple-axis) 배치 메커니즘(121)을 포함하는 레이저 조종 시스템(100) 대신에, 앵커링 메커니즘(1110)은 도 20의 레이저 헤드(1200)를 조사되는 구조에 대하여 선택된 위치에 이탈가능하게 받치도록 하는 단순화된 메커니즘을 제공한다.

일부 실시예에서, 진공 패드(1112)는 구조 상에 놓일 때 효과적으로 기밀 영역을 형성하는 원형 고무 막(rubber membrane)(미도시)을 포함한다. 진공 패드(1112)는 도 21D에 나타난 진공 콘딧(1113)을 통해 적어도 하나의 진공 생성기(미도시)에 유체적으로 결합되어 있다. 진공 콘딧(1113)을 위한 예시적 재료는 유연성 고무 호스를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 진공 콘딧을 통해 고무 막 및 구조 사이의 기밀 영역으로부터 공기를 빨아냄으로써, 진공 생성기는 기밀 영역 내에 진공을 발생시킨다. 대기압은 앵커링 메커니즘(1110)을 구조에 역전가능하게 고정시키는 힘을 제공한다. 일부 실시예에서, 진공 패드(112)는 레이저 헤드(1200)를 중력 힘에 대항하여 어떠한 향으로 받치도록 구성된다. 예를 들어, 도 21에 의해 개략적으로 도시된 실시예에서는, 앵커링 메커니즘(1110)이 레이저 헤드(1200)를 실질적으로 수직인 콘크리트 표면에 접촉하도록 지지한다. 표면으로부터 앵커링 메커니즘(1110)을 제거하는 것은 고무 막 및 구조 사이의 기밀 영역에 공기가 다시 들어가게 함으로써 이루어진다. 여기에 설명된 실시예와 호환성이 있는 진공 패드(1112)는 다양한 근원에서 입수가능하다. 예시적인 진공 패드(1112)가 리히텐슈타인공국(Principality of Liechtenstein) 샨(Schann)의 힐티(Hilti Corporation) 사의 376281-DD-CR-1 Complete Core Rig Stand에 의해 제공된다.

일부 실시예에서, 커플러(1114)는 레이저 헤드(1200)의 상응하는 레이저 헤드 커플러(1250)와 치합(mates)하는 구조를 포함한다. 도 21A에 개략적으로 도시된 앵커링 메커니즘(1110)에서, 커플러(1114)는 진공 패드(1112)에 부착되는 적어도 하나의 돌출부(1115)를 포함한다. 커플러(1114)는 적어도 하나의 상응하는 리세스(1116)를 포함하는 레이저 헤드 커플러(1250)에 연결가능하다. 다른 실시예에서, 커플러(1114)는 리세스를 포함하고 레이저 헤드 커플러(1250)는 상응하는 돌출부를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 커플러(1114)는 도 22A에 개략적으로 도시된 바와 같이 레이저 헤드(2200)를 받치도록 적응된 칼라(collar)(1117)를 포함한다.

도 21C에 의해 개략적으로 도시된 바와 같이, 또 다른 실시예에서는, 커넥터(1114)가 적어도 하나의 막대(1118)를 포함하고 레이저 헤드(1200)의 커플 러(1250)는 적어도 하나의 칼라(1119)를 포함한다. 도 21C의 예시적인 실시예에서, 커플러(1114)는 두 개의 막대(1118a, 1118b)를 포함하고 레이저 헤드 커플러(1250)는 두 개의 칼라(1119a, 1119b)를 포함한다. 각 칼라(1119)는 레이저 헤드(1200)가 막대(1118)의 길이를 따라 다양한 장소에 조절가능하게 위치할 수 있도록 상응하는 막대(1118)에 이탈가능하게 결합되어 있다. 이러한 실시예 일부에서, 칼라(1119)는 막대(1118)에 대하여 조절가능하게 회전되어 레이저 헤드(1200)가 막대(1118)를 중심으로 회전될 수 있도록 할 수 있다. 예를 들어, 도 21C에 의해 개략적으로 도시된 실시예에서는, 하나의 칼라(1119a)가 그 상응하는 막대(1118a)로부터 떨어질 수 있고, 다른 칼라(1119b)는 그 상응하는 막대(1118b)를 중심으로 회전될 수 있다. 이러한 실시예는 레이저 헤드(1200)를 그 드릴링 위치로부터 회전되어 드릴되는 홀의 시각적 점검이 이루어질 수 있도록 하는 능력을 제공한다. 시각적 점검이 이루어졌다면, 레이저 헤드(1200)를 다시 회전시키고 칼라(1119a)를 그 상응하는 막대(1118a)에 재결합시킴으로써 레이저 헤드(1200)가 다시 드릴링 위치로 복구될 수 있다.

일부 실시예에서, 손잡이(1116)는 앵커링 메커니즘(1110)을 원하는 장소로 이송 및 배치하는 것을 용이하게 하도록 적응될 수 있다. 도 21A-21D에 개략적으로 도시된 것 외의 다른 구성의 손잡이(1116)도 여기에 설명된 실시예와 호환성이 있다.

이러한 단순화된 앵커링 메커니즘(1110)은, 전술된 바와 같이, 장치가 구조 내에 홀을 드릴 또는 관통하는 데에만 사용되는 경우 사용될 수 있다. 이러한 실시 예 일부에서, 앵커링 메커니즘(1110)은 구조를 조사하여 선택된 장소에 홀을 드릴하기 위해 레이저 헤드(1200)가 배치되도록 구조에 이탈가능하게 고정될 수 있다. 이러한 실시예에서 제2 선택된 장소에 제2 홀을 드릴하기 위해서는, 레이저 헤드(1200)가 제2의 선택된 장소에서 구조를 조사하기 위해 재배치되도록 앵커링 메커니즘(1110)이 구조로부터 제거되고 이동된다. 앵커링 메커니즘(1110)을 (도 6A, 6B, 7, 및 8에 비해) 단순화시키고 배치 메커니즘(121)의 사용을 피함으로써, 이러한 단순화된 실시예는 한 명의 사람에 의해 이동가능하고 배치가능한 더 경량인 대안을 제공한다. 또한, 이러한 단순화된 실시예는 도 6A, 6B, 7, 및 8과 관련하여 설명된 것보다 더 강건하다.

제어기

일부 실시예에서, 제어기(500)는 레이저 베이스 유닛(300)에 전기적으로 결합되어 있고 레이저 베이스 유닛(300)에 제어 신호를 전송하도록 적응되어 있다. 다른 실시예에서, 제어기(500)는 레이저 베이스 유닛(300) 및 레이저 조종 시스템(100) 모두에 전기적으로 결합되어 있고 레이저 베이스 유닛(300) 및 레이저 조종 시스템(100) 모두에 제어 신호를 전송하도록 적응되어 있다. 도 15는 여기에 설명된 실시예에 따른 제어기(500)의 실시예를 개략적으로 도시한다. 제어기(500)는 제어 패널(510), 마이크로프로세서(520), 레이저 생성기 인터페이스(530), 배치 시스템 인터페이스(540), 센서 인터페이스(550), 및 사용자 인터페이스(560)를 포함한다.

일부 실시예에서, 제어 패널(510)은 주동력공급원(main power supply), 주동 력 스위치, 비상 동력 차단 스위치(emergency power off switch), 및 제어기(500)의 기타 부품에 결합하도록 적응된 다양한 전기 커넥터를 포함한다. 제어 패널(510)은 외부 동력원(도 15에 미도시)에 결합되고 장치(50)의 다양한 부품에 동력을 제공하도록 적응되어 있다.

일부 실시예에서, 마이크로프로세서(520)는 프로그래머블 로직 컨트롤러(Programmable Logic Controller) 마이크로프로세서(PLC)를 포함할 수 있다. PLC는 억세고(rugged), 신뢰성 있고, 구성하기 쉬우며(easy-to-configure), 예시적인 PLC가 위스콘신 주, 밀워키(Milwaukee)의 록웰 오토메이션(Rockwell Automation) 사, 일리노이 주, 팔라틴(Palatine)의 슈나이더 일렉트릭(Schneider Electric) 사, 및 독일, 뮌헨(Munich)의 지멘스(Siemens AG)사에서 입수가능하다. 대안적인 실시예에서, 마이크로프로세서(520)는 쉽고 유연한 구현을 제공하는 PC/104 내장 PC 모듈 또는 퍼스널 컴퓨터 마이크로프로세서를 포함한다. 마이크로프로세서(520)는 원하는 절삭 또는 드릴링 패턴을 달성하기 위해 장치(50)의 가른 부품들에 (레이저 생성기 인터페이스(530) 및 배치 시스템 인터페이스(540)를 통해) 제어 신호를 전송함으로써, (사용자 인터페이스(560)를 통한) 사용자로부터의, 그리고 (센서 인터페이스(550)를 통한) 장치(50)의 다양한 센서로부터의 입력 신호에 대응하도록 적응될 수 있다.

마이크로프로세서(520)는 하드웨어, 소프트웨어, 또는 그 복합형태로 구현될 수 있다. 하드웨어 및 소프트웨어의 복합형태로 구현된 경우, 소프트웨어는 프로세서 판독가능한 저장 매체 상에 존재할 수 있다. 또한, 일부 실시예의 마이크로프로 세서(520)는 작동 중 사용되는 정보를 지니도록 메모리를 포함한다.

일부 실시예에서, 레이저 생성기 인터페이스(530)는 레이저 베이스 유닛(300)에 결합되어 있고 마이크로프로세서(520)로부터 레이저 베이스 유닛(300)의 다양한 부품으로 제어 신호를 전송하도록 적응되어 있다. 예를 들어, 레이저 생성기 인터페이스(530)는 레이저 생성기(310)에 제어 신호를 전송하여 원하는 작동 파라미터를 설정할 수 있는데, 이는 레이저 파워 출력 레벨 및 레이저 펄스 프로필 및 타이밍(timing)을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 레이저 생성기 인터페이스(530)는 적절한 냉각 수준을 설정하도록 냉각 서브시스템(320)으로, 수용 플레넘(240)의 압축 기체 유입구(249)에 결합된 압축 기체 근원, 또는 추출 포트(248)에 결합된 진공 생성기로 제어 신호를 전송할 수 있다.

일부 실시예에서, 배치 시스템 인터페이스(540)는 레이저 조종 시스템(100)의 배치 메커니즘(121)에 결합되어 있고, 전술된 바와 같이, 제1축 배치 시스템(130) 및 제2축 배치 시스템(150)과 호환성이 있다. 이러한 실시예 일부에서, 배치 시스템 인터페이스(540)는 제1축 배치 시스템(130) 및 제2축 배치 시스템(150)을 위한 서보 구동기(servo-drivers)를 포함한다. 서보 구동기는 바람직하게는 마이크로프로세서(520)로부터의 제어 신호에 대응하여 제1 구동기(136) 및 제2 구동기(154)를 위한 구동 전압 및 전류를 생성한다. 이러한 방법으로, 제어기(500)는 구조의 표면에 걸쳐 레이저 헤드(200)가 어떻게 스캔(scanned)되는지 결정할 수 있다. 일부 실시예에서, 서보 구동기는 제어기(500)의 제어 패널(510)로부터 그 동력을 수신한다. 배치 메커니즘(121)이 제3축 배치 시스템을 더 포함하는 실시예에서 는, 배치 시스템 인터페이스(540)가 적절한 서보 구동기를 더 포함하여 제어기(500)가 레이저 헤드(200) 및 가공되는 구조 사이의 상대적 거리를 판단할 수 있게 한다.

일부 실시예에서, 센서 인터페이스(550)는 작동 파라미터가 선택 또는 변경되는 근거가 될 수 있는 데이터를 제공하는 장치(50)의 다양한 센서(도 15에 미도시)에 결합되어 있다. 예를 들어, 전술된 바와 같이, 레이저 헤드(200)는 레이저 헤드(200)와 상호작용 영역 사이의 상대적 거리를 측정하도록 적응된 센서(250)를 포함할 수 있다. 이러한 실시예의 센서 인터페이스(550)는 센서(250)로부터 데이터를 수신하고 이 데이터를 마이크로프로세서(520)에 제공한다. 마이크로프로세서(520)는 그 다음 레이저 베이스 유닛(300) 및/또는 레이저 조종 시스템(100)의 다양한 작동 파라미터를 적절히, 실시간으로 조절할 수 있다. 센서 인터페이스(550)를 통해 제어기(500)에 결합될 수 있는 다른 센서는 레이저 헤드(200)가 가공되는 표면에 대해 제자리에 있음을 확인하기 위한 근접 센서, 다양한 냉각, 압축 공기, 및 진공 시스템을 위한 온도 또는 유동 센서, 및 (이후 보다 온전히 설명되는 바와 같이) 보강근(rebar) 탐지기를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

일부 실시예에서, 사용자 인터페이스(560)는 장치(50)에 관한 정보를 사용자에게 제공하고 마이크로프로세서(520)로 전송되는 사용자 입력을 수신하도록 적응되어 있다. 일부 실시예에서, 사용자 인터페이스(560)는 마이크로프로세서(520)에 전기적으로 결합된 제어 펜던트(control pendant)(570)를 포함한다. 도 16에 개략적으로 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 제어 펜던트(570)는 스크 린(screen)(572) 및 복수의 버튼(574)을 포함한다. 일부 다른 실시예에서는, 제어 펜던트(570)가 복수의 버튼(574)을 포함하고 스크린(572)과 분리되어 있다.

스크린(572)은 사용자에게 상태 정보 및 작동 파라미터 정보를 디스플레이(display)하는 데 사용될 수 있다. 예시적인 스크린(572)은 액정 디스플레이를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 버튼(574)은 마이크로프로세서(520)에 의해 장치(50)의 작동 파라미터를 설정하는 데 사용되는 데이터를 사용자가 입력할 수 있도록 하는 데 사용될 수 있다. 다른 실시예는 사용자 입력을 장치(50)에 통신하기 위한 다른 기술을 사용할 수 있고, 이는 키보드(keyboard), 마우스(mouse), 터치패드(touchpad), 및 포텐시오미터(potentiometer) 노브(knobs) 및/또는 다이얼(dials)을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예에서는, 제어 펜던트(570)가 장치(50)에 하드와이어(hard-wired)되어 있고, 다른 실시예에서는, 제어 펜던트(570)가 원격으로(예를 들면, 무선으로) 장치(50)와 통신한다.

일부 실시예에서, 제어 펜던트(570)는 비상 중단 버튼 및 사이클 중단 버튼을 더 포함한다. 비상 중단 버튼을 누르면, 장치(50)는 즉시 모든 이동을 멈추고, 레이저 조사는 즉시 정지된다. 사이클 중단 버튼을 누르면, 장치(50)는 마찬가지로 모든 이동을 멈추고 수행되고 있는 절삭 시퀀스(cutting sequence)에 상응하는 레이저 조사를 정지시키지만, 그 다음으로 사용자에게는 절삭 시퀀스의 시작으로 복구하거나 절삭 시퀀스가 중단된 지점에서 절삭을 재시작하는 옵션(option)이 제공된다. 일부 실시예에서, 제어 펜던트(570)는 장치(50)가 수행하기 위해서는 사용자가 수동으로 발동시켜야만 하는 "데드 맨 스위치(dead man switch)"를 더 포함한 다. 이러한 스위치는 누군가가 능동적으로 제어 펜던트(570)를 사용하고 있지 않은 한 장치(50)가 가동되지 않을 것을 보장함으로써 어느 정도의 안전성을 제공한다.

도 17A-17H는 제어 펜던트(570)의 일련의 예시적인 스크린 디스플레이를 도시한다. 스크린(572)의 좌측 및 우측을 따라 있는 각 버튼(574)의 기능은 장치(50)의 작동 모드에 의존한다. 스크린 디스플레이 각각은 시스템 상태에 관한 정보를 현재 작동 모드에 관한 관련 정보와 함께 제공한다.

도 17A의 "메인 스크린" 디스플레이는 "기계 상태" 필드(field), "시스템 상태" 필드, 및 제어 펜던트(570)의 버튼(574)의 일부 또는 모두의 기능에 상응하는 레이블 필드(label fields)를 포함한다. "기계 상태" 필드는 장치(50)가 무엇을 하고 있고 사용자가 다음에 무엇을 할 수 있는지 설명하는 문자 메시지를 포함한다. "시스템 상태" 필드는 장치(50)의 작동 모드를 나타내는 칸(box)을 포함한다. 도 17A에 의해 도시된 예에서는, 장치가 "유지관리 모드"에 있다. "시스템 상태" 필드는 또한 장치(50)의 다양한 부품의 상태를 지시(indicate)하는 복수의 상태 칸을 포함하는데, 이는 앵커링 시스템(110)의 진공 패드(112), 공기 또는 진공 압력, 제1축 배치 시스템(130), 및 제2축 배치 시스템(150)을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. "시스템 상태" 필드는 또한 레이저 베이스 유닛(300)에 감지된 어떠한 오류(faults)가 있는지 여부를 지시한다. 일부 실시예에서는, 부품의 명목 상태(nominal status)가 이에 상응하는 상태 칸이 초록색이 됨으로써 나타내진다. 장치(50)의 준비 상태(ready state)는 시스템 상태 칸이 모두 초록색으로 나타나게 함으로써 표현된다. 이 부품 중 하나의 상태가 작동 파라미터를 벗어나면, 그 상응 하는 상태 칸이 붉은색으로 나타내지고, 시스템 인터록(interlocks)이 활성화되어 장치(50)의 작동을 금지한다. 시동 시에는, 시스템 인터록이 활성화되고 장치(50)의 작동 이전에 해제되어야 한다. "기계 상태" 필드의 문자 메시지는 장치(50)가 작동 파라미터 내에 들고 시스템 인터록을 해제하기 위해 수행되어야 하는 동작에 관한 정보를 제공한다. 시스템 인터록 모두가 해제되면, "기계 상태" 필드는 장치(50)가 사용될 준비가 되었음을 지시할 것이다.

도 17B의 "작동 선택 스크린" 디스플레이는 "기계 상태" 필드, "시스템 상태" 필드, 및 버튼(574)의 일부 또는 모두의 기능에 상응하는 레이블 필드를 포함한다. "시스템 상태" 필드는 제1축 배치 시스템(130)(장축(long axis)이라 칭함) 및 제2축 배치 시스템(150)(단축(short axis)이라 칭함)을 따라 레이저 헤드(200)의 위치에 관한 정보를 포함한다. 버튼(574)의 일부는 다양한 작동을 활성화하도록 구성되어 있다. 예를 들어, 도 17B에 도시된 바와 같이, 네 개의 버튼(574)이 네 개의 상이한 작동, 즉 선회(circle), 관통(pierce), 직선 절삭(straight cut), 및 표면 키잉(surface keying)을 활성화하도록 구성되어 있다.

도 17C는 "선회 설정/작동 스크린" 디스플레이를 나타내는데, 이는 레이저 헤드(200)가 원형으로 이동하여 가공될 구조의 표면에 원하는 깊이로 원형의 패턴을 절삭하는, 장치(50)의 선회 작동에 관한 정보를 제공한다. 일부 실시예에서, 선회 작동은 입체 원형 코어(solid circular core)가 절삭되고 표면에서 제거되어 원형 홀이 남게 되는 "천공(trepanning)"에 사용될 수 있다.

"선회 상태" 필드는 선회 작동의 상태에 관한 정보 및 상응하는 지시사 항(instructions)을 사용자에게 제공한다. 제1축 배치 시스템(130) 및 제2축 배치 시스템(150)을 따라 레이저 헤드(200)의 시작 위치가 "시스템 상태" 필드에 제공되어 있다. "선회 파라미터" 필드는 원형 패턴의 절삭과 연관되는 다양한 파라미터에 관한 정보를 제공하는데, 이는 원형 패턴 주위의 회전 수, 지름, 절삭이 수행되는 기간, 원 주위의 레이저 헤드(200) 운동 속도, 및 레이저 베이스 유닛(LBU) 프로그램 번호를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예에서, LBU 프로그램 번호는 레이저 헤드(200)의 작동 파라미터에 상응하는데, 이는 빔 포커스 및 광도를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

일부 실시예에서, 다양한 파라미터가 스크린(572) 상의 파라미터를 만짐으로써 변경될 수 있는데, 이 때 숫자 키패드가 스크린(572)에 나타나 새로운 값이 입력될 수 있게 된다. 각 파라미터마다, "지정(set point)" 값은 현재 메모리에 있는 값 및 입력된 마지막 값에 상응한다. "상태" 값은 선택되는 현재 값에 상응한다. 새로운 파라미터 값을 저장하면, "상태" 및 "지정" 값이 같다. "자동/드라이 런(Auto/Dry Run)"으로 명명된(labeled) 버튼(574a)을 누르는 것은 레이저 빔을 가동시키지 않고 레이저 헤드(200)의 원형 이동을 시작할 것이다. "사이클 시작"으로 명명된 버튼(574b)을 누르는 것은 레이저 헤드(200)의 이동 및 레이저 빔의 가동을 모두 포함하여 원형 패턴의 절삭을 시작할 것이다. "사이클 중단"으로 명명된 버튼(574c)을 누르는 것은 절삭 및 이동을 정지 또는 일시정지(pause)시킬 것이고 정지된 곳에서 절삭 및 이동을 재시작하는 옵션을 제시할 것이다. "기계 리셋(Machine Reset)"으로 명명된 버튼(574d)을 누르는 것은 장치(50)가 중립 조건에 있게 할 것이다. 절삭의 완료 시 "다음(Next)"으로 명명된 버튼(574e)을 누르는 것은 "작동 선택 스크린"으로 돌아가게 할 것이다.

도 17D는 "관통 설정/작동 스크린" 디스플레이를 나타내는데, 이는 레이저 헤드(200)가 가공될 구조의 표면에 원하는 깊이로 홀을 드릴하는, 장치(50)의 관통 작동에 관한 정보를 제공한다. "관통 상태" 필드는 관통 작동의 상태에 관한 정보 및 상응하는 지시사항을 사용자에게 제공한다. 제1축 배치 시스템(130) 및 제2축 배치 시스템(150)을 따라 레이저 헤드(200)의 시작 위치가 "시스템 상태" 필드에 제공되어 있다. "관통 파라미터" 필드는 홀을 드릴링하는 것과 연관되는 다양한 파라미터에 관한 정보를 제공한다. 레이저 파라미터는 레이저 파워, 레이저 스폿 사이즈(spot size), 및 드릴링을 위한 기간(이 각각은 구조에 형성되는 결과적 홀의 지름에 영향을 미칠 수 있음), 및 LBU 프로그램 번호를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 파라미터는 전술된 바와 같이 변경될 수 있다. "자동/드라이 런," "사이클 시작," "사이클 중단," "기계 리셋," 및 "다음"으로 명명된 버튼(574)은 전술된 것과 같이 작동한다.

도 17E는 "절삭 설정/작동 스크린" 디스플레이를 나타내는데, 이는 레이저 헤드(200)가 가공될 구조의 표면에 원하는 깊이로 직선 절삭을 만드는, 장치(50)의 직선 절삭 작동에 관한 정보를 제공한다. 직선 절삭은 바람직하게는 장치(50)의 축(axes) 중 하나를 따라 이루어진다. "절삭 상태" 필드는 절삭 작동의 상태에 관한 정보 및 상응하는 지시사항을 사용자에게 제공한다. 제1축 배치 시스템(130) 및 제2축 배치 시스템(150)을 따라 레이저 헤드(200)의 시작 위치가 "시스템 상태" 필 드에 제공되어 있다. "절삭 파라미터" 필드는 절삭과 연관되는 다양한 파라미터에 관한 정보를 포함하는데, 이는 레이저 헤드(200)의 운동 속도, 만들어질 절삭의 길이, 및 LBU 프로그램 번호를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 파라미터는 전술된 바와 같이 변경될 수 있다. "장축" 및 "단축"이라 명명된 버튼(574f, 574g)은 레이저 헤드(200)의 운동의 축으로서 각각 제1축 또는 제2축을 선택하는 데 사용된다. "자동/드라이 런," "사이클 시작," "사이클 중단," "기계 리셋," 및 "다음"으로 명명된 버튼(574)은 전술된 것과 같이 작동한다.

도 17F은 "표면 키잉 설정/작동 스크린" 디스플레이를 나타내는데, 이는 레이저 헤드(200)가 가공될 구조의 표면에 홈(indentation) 또는 "키(key)"를 형성하는, 장치(50)의 표면 키잉 작동에 관한 정보를 제공한다. 표면 키잉 작동은 레이저 빔을 표면에 걸쳐 스캐닝(scanning)하여 원하는 깊이 및 일반적으로 직사각형인 면적으로 표면에 홈 또는 "키"를 형성하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 표면 키잉 작동은 표면이 어느 면적(예를 들면, 직사각형)에 걸쳐 레이저 빔과의 상호작용에 의해 거칠어지게(roughened) 되는, 표면의 "스캐블링"을 수행하는 데 사용될 수 있다.

"표면 키잉 상태" 필드는 표면 키잉 작동의 상태에 관한 정보 및 상응하는 지시사항을 사용자에게 제공한다. 제1축 배치 시스템(130) 및 제2축 배치 시스템(150)을 따라 레이저 헤드(200)의 시작 위치가 "시스템 상태" 필드에 제공되어 있다. "표면 키잉 파라미터" 필드는 절삭과 연관되는 다양한 파라미터에 관한 정보를 제공하는데, 이는 레이저 헤드(200)의 운동 속도, 제1축을 따라 그리고 제2축을 따라 만들어질 키의 길이, 장치(50)가 제1축 및 제2축을 따라 이동하는 사이에 증대(increment)시킬 이격 길이(offset length), 및 LBU 프로그램 번호를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 파라미터는 전술된 바와 같이 변경될 수 있다. "장축" 및 "단축"이라 명명된 버튼(574f, 574g)은 레이저 헤드(200)의 운동의 축으로서 각각 제1축 또는 제2축을 선택하는 데 사용된다. "자동/드라이 런," "사이클 시작," "사이클 중단," "기계 리셋," 및 "다음"으로 명명된 버튼(574)은 전술된 것과 같이 작동한다.

도 17G는 "오류 스크린" 디스플레이를 나타내는데, 이는 탐지된 작동 오류에 관한 정보를 제공한다. 오류는 모니터(monitored)되는 시스템의 센서(예를 들면, 유량계, 온도 센서, 안정성 스위치, 비상 중단)가 비작동(non-operational) 조건을 탐지할 때 발생하는 것으로서, 장치(50)가 어떠한 작동 모드에 있고 어떠한 스크린이 디스플레이되고 있든 발생할 수 있다. 오류가 발생하면, 디스플레이되고 있는 현재 스크린의 하부에 오류를 지시하는 스크롤링 메시지(scrolling message)가 바람직하게 제공된다. 또한, "기계 상태" 필드가 사용자에게 오류를 해제할 것을 지시할 것이다. "오류 스크린"은 적절한 버튼(574)을 누름으로써 다른 스크린 어떠한 것에서부터 접근할 수 있다. 도 17G에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서는, "오류 스크린"이 탐지된 오류를 관련 데이터를 가진 표 내에 디스플레이하는데, 이는 오류의 일자(date) 및 종류를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 장치(50)를 작동을 위해 준비하기 위해서는, 탐지된 오류가 사용자에 의해 해제되는 것이 바람직하다. 탐지된 오류를 해제한 후, 사용자는 적절한 버튼(574)(예를 들면, "모두 승인 (Acknowledge All)")을 눌러 오류를 승인할 수 있다. 오류가 해제되지 않으면, 사용자는 적절한 버튼(574)(예를 들면, "기계 리셋")을 눌러 오류가 발생하였을 때 디스플레이되고 있던 스크린으로 돌아갈 수 있다. "기계 리셋" 버튼(574)을 다시 누르는 것은 장치(50)를 리셋할 수 있는 "메인 스크린"으로 사용자를 되돌릴 것이다.

도 17H는 "유지관리 스크린" 디스플레이를 나타내는데, 이는 장치(50)에 관한 정보를 제공한다. 유지관리 모드는 "메인 스크린" 디스플레이에서 적절한 버튼(574)을 누름으로써 접근할 수 있다. 유지관리 모드에서는, 시스템 인터록이 우회(bypassed)되고, 따라서 사용자는 장치(50) 또는 장치(50)에 근접한 사람 혹은 재료에 대한 손상을 방지하도록 특별한 주의를 기울이는 것이 바람직하다. "유지관리 스크린"은 사용자에게 적절한 경고를 디스플레이할 수 있다.

유지관리 모드는 사용자가 장치(50)의 오류 상태와는 독립적으로 장치(50)의 다양한 부품의 작동을 확인할 기회를 제공한다. 예를 들어, 유지관리 모드에서 적절한 버튼(574)을 누름으로써, 진공 시스템이 켜지고 꺼질 수 있고, 압축 공기가 솔레노이드 밸브(solenoid valve)를 통해 켜지고 꺼질 수 있으며, 제1 구동기(136) 및 제2 구동기(154)가 켜지고 꺼질 수 있다. 또한, 전술된 바와 같이 스크린(572)을 눌러 숫자 키패드 디스플레이가 나타나게 함으로써 제1축 및 제2축의 기본 조그 속도(default jog speed)가 변경될 수 있다.

"시스템 상태" 필드는 또한 복수의 상태 칸을 포함하여 장치(50)의 다양한 부품의 상태를 지시하는데, 이는 앵커링 시스템(110)의 진공 패드(112), 공기 또는 진공 압력, 제1축 배치 시스템(130), 및 제2축 배치 시스템(150)을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. "시스템 상태" 필드는 또한 레이저 베이스 유닛(300)에서 감지된 어떠한 오류가 있는지 여부를 지시한다. 일부 실시예에서는, 부품의 명목 상태(nominal status)가 이에 상응하는 상태 칸이 초록색이 됨으로써 나타내진다. 장치(50)의 준비 상태는 시스템 상태 칸이 모두 초록색으로 나타나게 함으로써 표현된다. 이 부품 중 하나의 상태가 작동 파라미터를 벗어나면, 그 상응하는 상태 칸이 붉은색으로 나타내진다.

"유지관리 스크린"은 또한 레이저 헤드(200)를 제1축 및 제2축을 따라 원하는 대로 이동하게 하는 능력을 제공한다. 일련의 세 버튼(574)이 레이저 헤드(200)를 제1축을 따라 원래 위치(home position), 전방향(forward direction), 또는 후방향(backward direction)으로 각각 이동시키도록 구성되어 있다. 마찬가지로, 다른 일련의 세 버튼(574)은 제2축을 따른 레이저 헤드(200)의 유사한 이동을 위해 구성되어 있다. 이러한 일련의 버튼을 위한 레이블 필드는 이러한 두 축을 따른 레이저 헤드(200)의 위치에 관한 정보를 포함할 수 있다.

탐지기

일부 실시예에서, 제어기(500)는 구조를 가공하는 동안 구조 내에 내장된 재료를 탐지하고 제어기(500)에 탐지 신호를 전송하도록 적응된 탐지기(600)에 결합되어 있다. 일부 실시예에서, 제어기(500)는 레이저 베이스 유닛(300)에 또는 레이저 베이스 유닛(300) 및 레이저 조종 시스템(100) 모두에 적절한 제어 신호를 전송함으로써 내장된 재료가 실질적으로 손상되는 것을 방지하도록 적응되어 있다. 일 부 실시예에서, 탐지기(600)는 가공 중에 상호작용 영역에 의해 방출되는 광을 활용하여 내장된 재료를 탐지하도록 적응되어 있다.

내장된 재료를 탐지하기 위한 다양한 기술이 본 발명의 실시예와 호환성이 있다. 가공 중 상호작용 영역에 의해 방출되는 광의 스펙트럼 분석(spectral analysis)은 상호작용 영역 내의 재료의 화학적 성분에 관한 정보를 제공할 수 있다. 광의 파장 및/또는 광도를 분석함으로써, 가열되는 재료의 성분 및 그 온도를 판단하는 것이 가능하다. 분광 정보(spectroscopic information)를 사용하여, 일부 실시예에서 내장된 재료의 탐지는 가공 중 광 스펙트럼의 변화를 모니터링(monitoring)하는 것에 의존한다. 한정이 아닌 예로서, 콘크리트에 내장된 보강근(예를 들면, 철)과 같은 내장된 재료의 성분의 차이로, 레이저광이 내장된 재료를 충돌 및 가열할 때 다양한 재료에 대한 용융 및 비등 온도의 변화는 광량 및/또는 광의 파장에 눈에 띄는 변화를 발생시킬 것이다.

도 18A는 여기에 설명된 실시예와 호환성이 있는 탐지기(600)를 개략적으로 도시한다. 탐지기(600)는 시준 렌즈(collimating lens)(610), 광섬유(optical fiber)(620), 및 분광계(spectrometer)(630)를 포함한다. 일부 실시예의 분광계(630)는 입력 슬릿(입력 슬릿(631)), 광학 그레이팅(optical grating)(632), 집광 렌즈(collection lens)(633), 및 광센서(light sensor)(634)를 포함한다. 시준 렌즈(610)는 상호작용 영역으로부터 방출되는 광을 수신하고 광을 광섬유(620) 상으로 향하게 하도록 배치되어 있다. 광섬유(620)는 그 다음으로 광을 분광계(630)로 인가하고, 광은 입력 슬릿(631)을 통하여 분광계(630)의 광학 그레이팅(632)으 로 전송된다. 광학 그레이팅(632)은 광을 파장의 스펙트럼으로 분리시킨다. 선택된 범위의 파장을 가진 분리된 광은 그 다음으로 집광 렌즈(633)을 통해, 파장의 범위 내의 광도에 상응하는 신호를 생성하는 광센서(634) 상으로 인가될 수 있다.

일부 실시예에서, 탐지기(600)의 적어도 일부는 레이저 헤드(200) 상에 실장된다. 시준 렌즈(610)가 레이저 헤드(200)의 일부인 실시예에서는, 시준 렌즈(610)가, 상호작용 영역으로부터 광을 수신하도록, 방출되는 레이저광의 축에 가까이 배치될 수 있다. 이러한 실시예에서, 시준 렌즈(610)는, 창(243)이 그러하듯이, 압축 공기 유입구(249)로부터의 압축 공기에 의해 보호되고 노즐(244) 뒤에 있을 수 있다. 일부 실시예에서는, 시준 렌즈(610)가 레이저 빔과 동축(coaxial)이고, 다른 실시예에서는, 시준 렌즈(610)가 축에서 벗어나(off-axis) 소재한다. 예시적인 시준 렌즈(610)는 플로리다 주, 더니든(Dunedin)의 오션 옵틱스(Ocean Optics) 사의 UV-74를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

일부 실시예에서, 광섬유(620)는 레이저 헤드(200)로부터 분광계(630)로 전송되는 광도의 충분히 낮은 감쇠(attenuation)을 제공하도록 선택된 재료를 포함한다. 광섬유(620)를 위한 예시적인 재료는 실리카 및 용융 실리카(fused silica)를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예에서는, 광섬유(620)가 순수 용융 실리카 코어, 도프된 용융 실리카 클래딩(cladding), 및 폴리이미드 버퍼 코팅(polyimide buffer coating)을 포함한다. 또한, 일부 실시예의 광섬유(620)는 외부 외피(jacket)(예를 들면, 테플론(Teflon®), 테프젤(Tefzel®), 케블러(Kevlar®), 및 그 복합형태) 및 스테인리스 스틸 외장(sheath)에 의해 보호된다. 또한, 일부 실시예의 광섬유(620)는 직각 섬유 마운트(right-angle fiber mount)를 사용하여 레이저 헤드(200)에 연결가능하다. 광섬유(620) 및 실장 구성의 다른 종류도 여기에 설명된 실시예와 호환성이 있다. 예시적인 광섬유(620)는 플로리다 주, 더니든의 오션 옵틱스 사의 P400-2-UV/VIS를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

일부 실시예에서, 분광계(630)는 조절가능한 입력 슬릿(631)을 포함한다. 일부 실시예의 입력 슬릿(631)은 대략 1 밀리미터의 높이 및 대략 5 미크론 및 대략 200 미크론 사이의 범위 내의 너비를 가진다. 입력 슬릿(631)은 분광계(630)에 진입하는 광량을 결정한다. 입력 슬릿(631)의 너비는 광센서(634)의 해상도(resolution)에 영향을 미친다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 대략 5 미크론의 입력 슬릿 너비는 대략 3 픽셀(pixels)의 해상도에 상응하고, 대략 200 미크론의 입력 슬릿 너비는 대략 24 픽셀의 해상도에 상응한다. 입력 슬릿(631)의 너비는 충분한 광 투과도(light transmittance)와 충분한 해상도를 제공하도록 유리하게 선택된다.

일부 실시예의 광학 그레이팅(632)은 입력 슬릿(631)으로부터 광을 수신하고 광의 다양한 파장 성분을 광의 파장에 의존하는 상응하는 각으로 회절(diffracts)시킨다. 이러한 방법으로, 광학 그레이팅(632)은 광의 다양한 파장 성분을 분리시킨다. 일부 실시예에서는, 광학 그레이팅(632)과 입력 슬릿(631)으로부터의 광 사이의 각도가 스캔되어(예를 들면, 광학 그레이팅(632)을 이동시킴으로써) 광센서(634)에 도달하는 파장 성분을 스캐닝한다. 광학 그레이팅(632)을 활용하는 예시적 분광계(630)는 플로리다 주, 더니든의 오션 옵틱스 사의 USB2000(VIS/UV)를 포 함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

일부 실시예에서, 분광계(630)의 집광 렌즈(633)는 광센서(634)의 광 수신 효율을 증가시키도록 적응되어 있다. 일부 실시예에서, 집광 렌즈(633)는 광센서(634)에 고정된 원기둥형 렌즈를 포함한다. 집광 렌즈(633)의 이러한 실시예는 (입력 슬릿(631)의 너비 또는 광섬유(620)의 크기에 의해 제한되는) 지름이 큰 진입 구경(entrance apertures) 및 광 레벨이 낮은(low-light-level) 응용에서 유리하게 유용하다. 또한, 일부 실시예에서는, 집광 렌즈(633)가 광센서(634)에 도달하는 산란 광(stray light)의 양을 감소시킴으로써 분광계(630)의 효율을 향상시킨다. 입력 슬릿(631), 광학 그레이팅(632), 및 집광 렌즈(633)의 다른 구성을 가진 분광계(630)도 여기에 설명된 실시예와 호환성이 있다.

일부 실시예에서, 탐지 시스템(600)은 도 18B에 의해 개략적으로 도시된 바와 같이, 분광계(630)에 결합된 컴퓨터 시스템(640)을 포함한다. 컴퓨터 시스템(640)은 결과적 분광 데이터를 분석하도록 적응되어 있다. 일부 실시예의 컴퓨터 시스템(640)은 마이크로프로세서(641), 메모리 서브시스템(642), 및 디스플레이(643)를 포함한다. 컴퓨터 시스템(640)에 더 많은 강건성(robustness)을 제공하기 위해, 마이크로프로세서(641) 및 메모리 서브시스템(642)은 미국 전기제조업자협회급(National Electrical Manufacturers Association (NEMA)-rated) 봉입체(enclosure)(644) 내에 실장되고 쉬운 접근을 위하여 봉입체의 하나 이상의 사이드 패널(side panels)에 입력 및 출력 파워 및 신호 연결을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 컴퓨터 시스템(640)은 벽체 콘센트(wall outlet)으로부터 110V로 구동되 고, 일부 실시예에서는, 컴퓨터 시스템(630)이 동력 손실 발생시 기능을 보장하기 위해 배터리 백업 동력원(미도시)를 더 포함한다.

일부 실시예에서, 마이크로프로세서(641)는 펜티엄-200 마이크로프로세서 칩을 포함하고, 다른 실시예에서는, 마이크로프로세서(641)가 펜티엄-III 850-MHz 마이크로프로세서 칩을 포함한다. 일부 실시예에서, 메모리 서브시스템(642)은 하드 디스크 드라이브를 포함한다. 다른 종류의 마이크로프로세서(641) 및 메모리 서브시스템(642)도 여기에 설명된 실시예와 호환성이 있다.

일부 실시예에서, 디스플레이(643)는 박막 트랜지스터(thin-film-transistor, TFT) 터치 스크린 디스플레이를 포함한다. 사용자에게 분광 결과를 디스플레이하는 데 사용되는 것 외에도, 이러한 터치 스크린 디스플레이는 탐지기(600)에 사용자 입력을 제공하여 다양한 작동 파라미터를 변경하는 데 사용될 수 있다.

분광계(630)는 구조 내의 다양한 내장된 재료와 연관되는 구체적인 파장을 모니터할 수 있다. 일부 실시예에서, 분광계(630)는 이러한 파장에서, 또는 이와 근접한 스펙트럼 영역(spectral region)에서, 상대적인 광도를 모니터할 수 있다. 이에 더해, 분광계(630)에 도달하는 광을 줄여 스펙트럼 분석 성능을 향상시키도록 적어도 하나의 중성 농도 필터(neutral density filter)가 이용될 수 있다.

일부 실시예에서, 분광계(630)는 구체적인 파장에서의 광도 및 이 파장 양측에서의 광도를 모니터한다. 일부 실시예의 분광계(630)는 또한 드릴되는 홀의 증가된 깊이에 의해 초래되는 광도의 감소를 모니터한다. 도 19는 콘크리트 조사시 탐 지된 파장의 광 스펙트럼 및 내장된 보강근 조사시 탐지된 광 스펙트럼의 예시적인 그래프를 나타낸다. 콘크리트로부터의 스펙트럼은 대략 592 나노미터의 파장에서 방출 피크(emission peak)를 나타낸다. 보강근으로부터의 스펙트럼은 이 방출 피크를 가지지 않고, 대신 대략 같은 파장에서 흡수 딥(absorption dip)을 나타낸다. 따라서, 약 592 나노미터에서의 방출 스펙트럼은 레이저광에 의해 내장된 보강근이 절삭되고 있는지 여부에 대한 실시간 지시를 제공하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 탐지기(600)가 592 나노미터에서의 스펙트럼에 밸리(valley) 또는 피크가 존재한다고 가정하는 일부 실시예에서는, 약 588.5 나노미터, 592 나노미터, 및 593 나노미터에서 방출 스펙트럼을 샘플링(sampling)하고 (2xI₅₉₂)/(I₅₉₃+I_{588 .5}) 비율을 계산함으로써, 탐지기(600)는 방출 스펙트럼이 콘크리트에 상응하는 딥을 가지는지 내장된 보강근에 상응하는 피크를 가지는지 여부를 판단할 수 있다. 다른 실시예에서는 다른 분광 데이터가 사용될 수 있다.

일부 실시예에서, 탐지기(600)는 상부 컷오프(upper cutoff) 파장(예를 들면, 582 나노미터) 및 하부 컷오프(lower cutoff) 파장(예를 들면, 600 나노미터)에 의해 정의되는 스펙트럼 영역을 검사하고 내장된 보강근의 탐지 또는 미탐지(non-detection)를 특징짓는 스펙트럼 비율(spectral ratio) R을 판단한다. 도 23은 여기에 설명된 실시예에 따른 스펙트럼 비율 R을 판단하는 예시적 방법(2500)의 순서도이다. 방법(2500)은 홀이 깊어짐에 따른 상호작용 영역으로부터의 광의 변화는 고려하지 않는다.

일부 실시예에서, 방법(2500)은 스펙트럼 영역 내의 데이터가 선택된 진폭 범위(amplitude range)와 비교되는 작동 블록(2510)을 포함한다. 데이터 중 어떠한 것이 진폭 범위 밖이면, 스펙트럼은 내장된 보강근의 미탐지에 상응하는 것으로 간주된다.

일부 실시예에서, 방법(2500)은 스펙트럼 영역의 데이터를 분석하여 하나의 밸리 및 두 개의 피크의 존재를 판단하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 이 분석은 작동 블록(2520)에서 스펙트럼 영역의 데이터가 밸리를 포함하는지 여부를 판단하는 단계를 포함한다. 밸리가 존재하는 것으로 판단되면, 작동 블록(2530)에서 밸리 값 V가 계산되고 작동 블록(2540)에서 스펙트럼 영역의 데이터가 두 개의 피크를 포함하는지 여부를 판단하기 위해 스펙트럼 영역이 분석된다. 일부 실시예에서, 밸리 값 V는 밸리에서의 데이터의 진폭에 상응한다. 다른 실시예 일부에서, 밸리 값 V를 계산하는 단계는 스펙트럼 영역의 제1 부분에서 데이터의 최소값을 판단하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 스펙트럼 영역의 제1 부분은 대략 588 나노미터 및 대략 594 나노미터 사이의 파장의 범위에 상응한다.

스펙트럼 영역의 데이터가 두 개의 피크를 가지는 것으로 판단되면, 작동 블록(2550)에서 피크 값 P가 계산되고 작동 블록(2560)에서 밸리 값 V를 피크 값 P로 나눔으로써 스펙트럼 비율 R이 계산된다. 일부 실시예에서, 피크 값 P는 두 피크의 값을 평균함으로써 계산된다. 스펙트럼 비율 R이 1 이상이면, 스펙트럼은 내장된 보강근의 탐지에 상응하는 것으로 간주된다.

스펙트럼 영역의 데이터가 두 개의 피크를 가지지 않는 것으로 판단되면, 일 부 실시예에서는, 작동 블록(2570)에서 스펙트럼 영역의 제2 부분의 데이터로부터 제1 최대값 M1이 계산되고 작동 블록(2580)에서 스펙트럼 영역의 제3 부분의 데이터로부터 제2 최대값 M2가 계산된다. 일부 실시예에서, 스펙트럼 영역의 제2 부분은 대략 582 나노미터에서 대략 588 나노미터의 파장의 범위에 상응하고, 스펙트럼 영역의 제3 부분은 대략 594 나노미터에서 대략 600 나노미터의 파장의 범위에 상응한다. 일부 실시예에서, 제1 최대값 M1은 스펙트럼 영역의 제2 부분 내의 최대 데이터 진폭에 상응하고 제2 최대값 M2는 스펙트럼 영역의 제3 부분 내의 최대 데이터 진폭에 상응한다. 일부 실시예에서는, 작동 블록(2590)에서 제1 최대값 M1 및 제2 최대값 M2를 평균함으로써 피크 값 P가 계산된다. 이러한 실시예에서는, 작동 블록(2600)에서 밸리 값 V를 피크 값 P로 나눔으로써 스펙트럼 비율 R이 계산된다. 스펙트럼 비율 R이 1 이상이면, 스펙트럼은 내장된 보강근의 탐지에 상응하는 것으로 간주된다.

스펙트럼 영역의 데이터 내에 하나의 밸리가 존재하지 않는 것으로 판단되면, 작동 블록(2610)에서 피크 값 P'가 계산되고 작동 블록(2620)에서 피크 값 P'가 소정의 임계 값(threshold value) T와 비교된다. 스펙트럼 영역이 하나 이상의 피크를 포함하는 일부 실시예에서, 피크 값 P'을 계산하는 단계는 스펙트럼 영역 내에서 탐지된 어떠한 피크들의 광도 값을 평균하는 단계를 포함한다. 피크 값 P'가 임계 값 T 미만이면, 스펙트럼은 내장된 보강근의 탐지에 상응하는 것으로 간주된다.

냉장된 재료를 탐지하기 위한 대안적 기술은 고속 셔터 모니터링(high speed shutter monitoring)을 사용한다. 이 접근법은 가공될 재료 및 레이저광 사이의 상호작용 내의 이산 변화(discrete changes)를 모니터하는 데 커플드 커패시턴스 디스차지(Coupled Capacitance Discharge, CCD) 카메라 시스템의 발전을 활용한다. 신식 CCD 카메라는 셔터가 개방되는 시간을 약 0.0001 초로 감소시킬 수 있다. 이 속도에서는, 레이저광 및 가공되는 재료 사이의 상호작용의 여러 특징을 보는 것이 가능하다. 이에 더해, 레이저광 및 가공될 재료의 발광성(incandescent) 상호작용에서 관찰되는 글레어(glare)를 감소시키고 상호작용 영역을 더 잘 영상화(image)하는 데 중성 농도 필터가 이용될 수 있다.

여기에 개시된 다양한 실시예의 수많은 변화예, 변경예, 및 변형예가 당업자에게 자명할 것이며, 이는 모두 본 발명의 사상 및 범위에 속하는 것으로 기대 및 사료된다. 예를 들어, 구체적인 실시예가 상세히 설명되었으나, 당업자는 상기 실시예 및 변형예가 다양한 종류의 대체 및/또는 추가 또는 대안 재료, 요소의 상대적 배치, 및 치수적 구성(dimensional configurations)을 포함하도록 변경될 수 있음을 이해할 것이다. 이에 따라, 여기에는 본 발명의 변형예 몇 가지만이 설명되었으나, 그러한 추가적 변경예 및 변형예 및 그 균등물의 실시는 이하 청구항에서 정의되는 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위 내에 속함을 이해할 것이다.

아래 청구항의 모든 수단 또는 단계 플러스 기능(means or step plus function) 요소의 상응하는 구조, 재료, 행위, 및 균등물은 구체적으로 청구된 대로 다른 청구된 요소와 복합하여 기능을 수행하기 위한 어떠한 구조, 재료, 또는 행위를 포함하도록 한 것이다.

Claims (19)

1. 거주가능한(inhabitable) 구조의 표면을 가공하기 위한 장치에 있어서,

   레이저 생성기 및 상기 레이저 생성기에 결합된 레이저 헤드(laser head)를 포함하고, 상기 표면의 상호작용 영역(interaction region)을 레이저광(laser light)으로 조사(irradiates)하되, 상기 레이저광은 상기 구조로부터 재료를 제거하고, 상기 레이저 헤드는 상기 상호작용 영역을 국한(confines)하고 이로부터 재료를 제거하는 수용 플레넘(containment plenum)을 포함하며, 상기 수용 플레넘은 상기 구조에 접촉하고 상기 상호작용 영역을 실질적으로 에워싸는 고무 밀봉(rubber seal)을 포함하여, 상기 상호작용 영역으로부터 재료의 제거 및 수용을 용이하게 하고 상기 구조 내의 활동에 대한 방해(disruption)를 감소시키는 레이저 베이스 유닛(laser base unit);

   상기 구조에 이탈가능하게(releasably) 결합되고 상기 레이저 헤드에 이탈가능하게 결합된 앵커링 메커니즘(anchoring mechanism); 및

   상기 레이저 베이스 유닛에 전기적으로 결합되되, 사용자 입력에 대응하여 상기 레이저 베이스 유닛에 제어 신호를 전송하는 제어기(controller)를 포함하는 가공장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 레이저 헤드는 상기 레이저 생성기에 이탈가능하게 결합되고 상기 제어기는 상기 레이저 베이스 유닛에 이탈가능하게 결합되어, 상기 장치는 역전가능하게(reversibly) 조립 및 분해되어 상기 구조 근처의 또는 내부의 장소로의 상기 장치의 이송을 용이하게 할 수 있는 것을 특징으로 하는 가공장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 레이저 생성기는 아크램프펌프식(arc-lamp-pumped) Nd:YAG 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 가공장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 레이저 생성기는 섬유 레이저(fiber laser)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가공장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 레이저 헤드는 상기 레이저 생성기로부터 레이저광을 수신하고 상기 레이저광을 상기 상호작용 영역으로 향하게 하도록 적응되어 있는 레이저 광학 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 가공장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 레이저 헤드는 이테르븀:이트륨-알루미늄-가닛(Yb:YAG) 섬유 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 가공장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 수용 플레넘은 상기 상호작용 영역으로부터 상기 수용 플레넘 외부로 방출되는 소음 및 광(light)을 감소시키도록 더 적응되어 있는 것을 특징으로 하는 가공장치.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 수용 플레넘은 상기 수용 플레넘으로부터의 재료의 제거를 위한 경로를 제공하는 추출 포트(extraction port)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가공장치.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 레이저 헤드는 디스크 레이저(disk laser)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가공장치.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 레이저 헤드는 상기 레이저 헤드의 상기 거주가능한 구조의 표면에 대한 접촉 여부, 상기 레이저 헤드의 상기 앵커링 메커니즘에 대한 결합 여부, 및 상기 레이저 생성기의 켜짐 또는 시동 여부 중 하나 이상을 감지하는 하나 이상의 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 가공장치.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 레이저 헤드는 압축 기체 공급원(compressed gas supply)에 유체적으로(fluidly) 결합되고 압축 기류(gas stream)를 상기 상호작용 영역으로 향하게 하도록 적응된 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 가공장치.
12. 제 1 항에 있어서,

    상기 앵커링 메커니즘은 적어도 하나의 진공 생성기에 결합된 하나 이상의 탄력성 진공 패드(resilient vacuum pads)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가공장치.
13. 제 1 항에 있어서,

    상기 제어기에 결합되어 있고, 상기 구조를 가공하는 동안 상기 구조에 내장된(embedded) 재료를 탐지하고 상기 제어기로 탐지 신호를 전송하도록 적응되어 있는 탐지기를 더 포함하되, 상기 제어기는 상기 레이저 베이스 유닛에 적절한 제어 신호를 전송함으로써 상기 내장된 재료를 실질적으로 손상시키는 것을 방지하도록 적응되어 있는 것을 특징으로 하는 가공장치.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 탐지기는 가공 중 상기 상호작용 영역에 의해 방출되는 광을 사용함으로써 내장된 재료를 탐지하도록 적응되어 있는 것을 특징으로 하는 가공장치.
15. 제 1 항에 있어서,

    상기 앵커링 메커니즘은 상기 거주가능한 구조 내의 표면에 이탈가능하게 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 가공장치.
16. 제 1 항에 있어서,

    상기 앵커링 메커니즘은 상기 레이저 헤드에 의해 조사되는 상기 표면에 이탈가능하게 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 가공장치.
17. 제 1 항에 있어서,

    조사되는 상기 표면은 상기 거주가능한 구조 내에 있는 것을 특징으로 하는 가공장치.
18. 거주가능한 구조 내의 활동에 대한 방해를 감소시키면서 상기 구조의 표면을 가공하기 위한 장치에 있어서,

    레이저광을 생성하기 위한 수단;

    상기 레이저광을 상기 구조의 상호작용 영역에 제공하여 상기 구조로부터 재료를 제거하기 위한 수단;

    상기 상호작용 영역을 실질적으로 에워싸는 고무 밀봉을 포함하되 상기 재료를 국한하고 상기 재료를 상기 상호작용 영역으로부터 제거하기 위한 수단; 및

    사용자 입력에 대응하여 상기 레이저광을 제어하기 위한 수단을 포함하는 가공장치.
19. 거주가능한 구조 내의 활동에 대한 방해를 감소시키면서 상기 구조의 표면을 가공하는 방법에 있어서,

    레이저광을 원격으로 생성하는 단계;

    상기 레이저광을 상기 표면에 제공하되, 상기 레이저광은 상호작용 영역에서 상기 구조와 상호작용하여 상기 구조로부터 재료를 제거하는 단계;

    상기 재료를 국한하고 상기 상호작용 영역으로부터 상기 재료를 제거하되, 상기 재료는 상기 상호작용 영역을 실질적으로 에워싸는 고무 밀봉에 의해 국한되는 단계; 및

    사용자 입력에 대응하여 상기 레이저광을 제어하는 단계를 포함하는 가공방법.

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