KR20110062887A - 자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치 및 레이저 자동 포커싱 방법 - Google Patents

자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치 및 레이저 자동 포커싱 방법 Download PDF

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최지훈
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Abstract

본 발명은 자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치 및 레이저 초점 자동 포커싱 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 큰 사이즈에 따른 가공대상물의 자중으로 인해 처짐이 발생하거나 가공대상물 자체의 가공 시에 발생한 편평도가 고르지 못한 표면 굴곡이 있더라도 가공대상물에 대하여 자동으로 정확하게 레이저 초점을 포커싱하면서 레이저를 조사할 수 있는 접촉식 및 비접촉식 자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치 및 레이저 자동 포커싱 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 상기 목적을 달성하기 위한 자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치 및 레이저 자동 포커싱 방법은 레이저빔을 발생시키는 레이저빔 발생원; 상기 레이저빔 발생원으로부터 레이저빔을 가공대상물에 조사하도록 전달하는 광학계; 상기 광학계를 구성하는 포커싱 부재를 수용하는 수용체; 및 상기 수용체에 구성되고, 가공대상물의 표면에 대한 포커싱 부재의 초점 거리를 자동 조절하는 자동 포커싱 유닛을 포함한다.
레이저가공장치, 가공방법, 자동포커싱, 가공표면, 상대이동, 고압

Description

자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치 및 레이저 자동 포커싱 방법{LASER PROCESSING APPARATUS HAVING AN AUTO-FOCUING UNIT AND A LASER AUTO-FOCUSING METHOD THEREOF}
본 발명은 레이저를 이용하여 가공대상물을 가공하는 레이저장치 및 레이저 가공방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 가공대상물의 사이즈가 커서 그의 자중에 의해 처짐이나 휨이 발생하거나 가공대상물 자체의 가공 시에 발생한 고르지 못한 편평도에 의한 표면 굴곡이 존재하더라도 가공대상물에 대한 레이저의 초점을 자동으로 정확하게 포커싱하면서 조사하여 가공할 수 있는 접촉식 및 비접촉식 자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치 및 레이저 자동 포커싱 방법에 관한 것이다.
최근 반도체 산업은 많은 발전을 해오고 있고, 이에 따라 레이저를 이용하여 반도체 재료기판, 압전 재료기판이나 유리기판 등의 기재(substrate)를 절단, 스크라이빙, 패터닝 또는 마킹 등의 가공 기술에 있어서도 많은 발전이 이루어지고 있 다.
이러한 레이저가공 기술분야에서 유리기판과 같은 가공대상물은 상대적으로 대면적화되고 있다. 이와 같이 가공대상물의 면적이 증가하게 되면 자체 하중 역시 증가하게 되고, 이에 따라 하중에 의해 가공할 가공대상물은 처짐, 휨 현상이 발생하게 된다.
이러한 가공대상물의 처짐이나 휨 현상을 보상하여 가공대상물의 편평도를 유지하면서 가공하기 위한 방법은 여러 가지 방식으로 제안되어 있다.
종래 대면적화된 가공대상물의 처짐을 보상하거나 편평도를 유지하여 초점을 맞춘 상태에서 가공하기 위한 일 예로서, 가공대상물의 하면에 지지장치를 설치하여 그 편평도를 유지하면서 가공하는 방식이 있다. 그러나 이와 같은 방식은 별도의 지지장치를 구비해야 하기 때문에 전체 설비가 복잡해지는 문제점이 있다.
또한, 이러한 지지수단에 의한 지지방식은 단순히 가공대상물의 편평도만을 유지하여 포커싱 하는 방식으로서, 가공대상물의 가공 시 그 가공대상물 자체의 표면 굴곡이나 요철에 의한 포커싱 오차에 대한 보정은 할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 종래 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 가공대상물의 대면적화로 인하여 그의 자중에 의해 처짐이 발생하거나 가공대상물 자체의 가공 시에 발생한 고르지 못한 편평도에 따른 표면의 굴곡이 존재하더라도 가공대상물에 대한 레이저의 초점을 자동으로 정확하게 포커싱하면서 가공할 수 있는 접촉식 및 비접촉식 자동 포커싱 유닛을 구비하는 레이저 가공장치 및 자동 포커싱 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 레이저 조사와 동시에 자동 포커싱을 신속히 실행할 수 있어 작업 속도로 향상될 수 있고, 상대적으로 간단한 기구 메커니즘을 통해 자동 포커싱을 구현할 수 있어 장비 전체의 제조 비용을 절감할 수 있는 레이저 가공장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제1 관점에 따른 본 발명은, 레이저빔을 발생시키는 레이저빔 발생원; 상기 레이저빔 발생원으로부터 레이저빔을 가공대상물에 조사하도록 전달하는 광학계; 상기 광학계를 구성하는 포커싱 부재를 수용하는 수용체; 및 상기 수용체에 구성되고, 가공대상물의 표면에 대한 포커싱 부재의 초점 거리를 자동 조절하는 자동 포커싱 유닛을 포함하는 레이저 가공장치를 제공한다.
상기 자동 포커싱 유닛의 일 예로, 상기 가공대상물에 접촉하고 이동하는 접 촉 구름부재; 상기 가공대상물에 대한 레이저빔의 초점을 맞추는 포커싱 부재; 단부에 상기 접촉 구름 부재가 회전자유자재로 설치되고, 내부에 포커싱 부재가 수용되며, 상기 접촉 구름 부재가 가공대상물의 표면을 따라 이동할 때, 표면의 편평도에 대응하여 이동가능하게 구성되는 이동수단을 포함할 수 있다.
상기 자동 포커싱 유닛의 다른 일 예로, 상기 수용체의 일부를 구성하는 고정 하우징; 상기 포커싱 부재가 고정되고, 상기 고정하우징의 하부에 위치되는 이동 하우징; 상기 고정 하우징과 이동 하우징의 대향 단부 사이에 고정되고, 두 하우징이 상대 이동가능하도록 연결하는 연결 부재; 및 상기 가공대상물 측의 이동 하우징의 단부에 회전자유자재로 구비되는 접촉 부재를 포함할 수 있다.
상기 연결 부재는 상기 고정 하우징에 대하여 이동 하우징이 탄성 이동 및 복원되도록 지지하는 스프링부재로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 연결 부재가 설치되는 두 하우징 사이의 외측에 구비되는 벨로우즈 부재(bellows member)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 자동 포커싱 유닛의 또 다른 일 예로, 상기 수용체의 일부를 구성하는 고정 하우징; 상기 포커싱 부재가 고정되고, 상기 고정 하우징의 하부에 위치되는 이동 하우징; 상기 고정 하우징과 이동 하우징의 대향 단부 간을 고정하되, 두 하우징을 수평적으로 연결하는 판형 연결 부재; 및 상기 가공대상물 측의 이동 하우징의 단부에 회전자유자재로 구비되며, 가공대상물에 접촉하는 접촉 부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 관점에 따르면, 레이저빔을 발생시키는 레이저빔 발생원; 상 기 레이저빔 발생원으로부터 레이저빔을 가공대상물에 조사시키도록 전달하는 광학계; 상기 광학계를 구성하는 포커싱 부재를 수용하는 레이저 헤드; 상기 레이저 헤드를 이동시키기 위한 레이저 헤드 이동수단; 상기 수용체로부터 가공대상물로 고압 공기를 토출하기 위한 공기 토출 수단; 상기 레이저헤드와 가공대상물 간의 압력을 검출하는 압력검출수단; 상기 압력검출수단으로부터 제공받은 정보에 근거하여 상기 레이저 헤드를 가공대상물에 대하여 상하로 이동시키도록 제어하는 제어유닛을 포함하는 레이저 가공장치를 제공한다.
본 발명은 상기 레이저헤드의 단부와 가공대상물 간의 거리를 검출하는 거리검출수단 및 상기 가공대상물을 지지하며, 이동가능하게 구비되는 지지부재; 및 상기 지지부재를 이동시키기 위한 지지부재 이동수단을 더 포함할 수 있으며, 상기 제어유닛은 상기 압력검출수단 및 거리검출수단으로부터 제공받은 정보에 근거하여 상기 레이저 헤드 및 지지부재 중 적어도 하나를 가공대상물에 대하여 상하로 이동시키도록 제어하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 가공대상물에 대하여 포커싱 부재를 상하 방향으로 이동시켜 포커싱 부재의 초점 거리를 조절하는 초점거리 조절수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제3 관점에 따르면, 레이저 가공장치에서의 레이저빔 포커싱 방법에 있어서, 가공대상물에 레이저를 조사하고, 상기 가공대상물의 표면을 따라 이동하는 접촉부재를 가공대상물에 대한 초점 거리가 맞춰진 포커싱 부재와 함께 이동시키면서 레이저빔을 포커싱하는 레이저빔 자동 포커싱 방법을 제공한다.
본 발명의 제4 관점에 따르면, 레이저 가공장치에서의 레이저빔 포커싱 방법에 있어서, 가공 대상물에 레이저를 조사하고, 레이저빔이 조사되며, 초점 거리가 맞춰진 포커싱 부재를 수용하는 레이저 헤드로부터 가공 대상물에 고압 공기를 토출시키고; 상기 가공대상물로 토출되는 공기압을 측정 검출하고; 검출된 공기압과 미리 설정된 기준 공기압 간의 차가 발생하는 경우, 기준 공기압으로 되도록 상기 레이저 헤드를 이동시켜 초점 거리를 보정하는 레이저빔 자동 포커싱 방법을 제공한다.
여기에서, 상기 레이저헤드로부터 가공대상물 사이의 거리를 측정하고, 측정된 거리와 미리 설정된 기준 거리 간의 차가 발생하는 경우, 기준 거리로 되도록 상기 레이저 헤드를 이동시켜 초점 거리를 보정하는 것을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 측정된 압력과 거리에 근거하여 상기 레이저헤드 및 상기 가공대상물을 상하이동가능하게 지지하는 지지부재 중 적어도 하나를 이동시키도록 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치 및 자동 포커싱 방법은 가공대상물의 처짐이나 휨 또는 가공대상물 자체의 고르지 못한 표면 편평도에 관계없이 그 가공대상물의 표면을 따라 자동 포커싱을 실행함으로써 가공 속도가 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치는 상대적 으로 간소한 기구 메커니즘을 통해 자동 포커싱을 실행할 수 있어 레이저 가공장치의 전체 제조 비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명에 따르는 자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치는, 레이저빔을 발생시키는 레이저빔 발생원; 상기 레이저빔 발생원으로부터 레이저를 가공대상물에 조사하는 광학계; 상기 광학계를 구성하는 포커싱 부재를 수용하는 수용체; 및 상기 수용체에 일체로 구성되고, 가공대상물의 표면에 대한 포커싱 부재의 초점 거리를 자동 조절하는 자동 포커싱 유닛을 포함한다.
상기 자동 포커싱 유닛은 가공대상물의 표면에 접촉하여 상하 이동하면서 포커싱 부재의 초점 거리를 자동 조절하는 접촉식 자동 포커싱 유닛으로 구성되거나, 상기 가공대상물의 표면에 접촉하지 않고 가공대상물로 가해지는 기준 압력 및 기준 거리의 변화에 따라 포커싱 부재의 초점 거리를 자동 조절하는 비접촉식 자동 포커싱 유닛으로 구성될 수 있다.
상기 접촉식 자동 포커싱 유닛은 가공대상물에 접촉하고 이동하는 접촉 구름부재와 가공대상물에 대한 레이저빔의 초점을 맞추는 포커싱 부재; 단부에 접촉 구름 부재가 회전자유자재로 설치되고, 내부에 포커싱 부재가 수용되며, 상기 접촉 구름 부재가 가공대상물의 표면을 따라 이동할 때, 표면의 편평도에 대응하여 이동 가능하게 구성되는 이동수단을 포함한다.
이하 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따르는 자동 포커싱 유닛을 구비하는 레이저 가공장치에 대한 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따르는 자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치의 일 실시 예의 주요부를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 레이저빔을 발생시키는 레이저빔 발생원(100); 상기 레이저빔 발생원(100)으로부터 레이저를 가공대상물(10)에 조사시키도록 소정의 광학부재들이 조합되어 구성되는 광학계; 상기 광학계를 구성하는 포커싱 부재(20)를 수용하는 수용체(200); 및 상기 수용체(200)에 일체로 구성되고, 가공대상물(10)의 표면에 대한 포커싱 부재의 초점 거리를 자동 조절하는 자동 포커싱 유닛을 포함한다.
상기 레이저빔 발생원(100) 및 광학계는 가공할 가공대상물(10)의 재질이나 특성, 가공 목적에 따라 레이저빔의 파장, 형상, 에너지분포 등의 가공 인자를 다양하게 선택할 수 있도록 구성될 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하 본 발명과 관련된 자동 포커싱 유닛에 대하여 상세히 설명한다.
상기 자동 포커싱 유닛은 수용체(200)의 일부를 구성하는 고정 하우징(310); 상기 포커싱 부재(20)가 고정되고, 상기 고정하우징(310)의 하부에 위치되는 이동 하우징(320); 상기 고정 하우징(310)과 이동 하우징(320)의 대향 단부 사이에 고정되고, 두 하우징이 상대 이동가능하도록 연결하는 연결 부재(330); 및 상기 이동 하우징(320)의 하단(즉, 가공대상물(10) 측을 향하는 단부)에 회전자유자재로 구비 되며, 가공대상물(10)에 접촉하는 휠형 접촉 부재(340)를 포함한다.
상기 연결 부재(330)가 설치되는 두 하우징(310, 320) 사이의 외측에는 연결 부재(300)가 외부로 노출되지 않고, 그 연결부에서의 내측과 외측 간을 차폐하며, 두 하우징(310, 320) 간의 상대 이동을 허용할 수 있도록 벨로우즈 부재(bellows member)(350)를 더 포함한다.
상기 연결 부재(330)는 고정 하우징(310)에 대하여 이동 하우징(320)이 탄성 이동되도록 지지하는 스프링부재로 구성되는 것이 바람직하다. 이는 가공대상물(20)의 처짐이나 휨, 또는 자체 가공 시에 갖는 표면 굴곡의 정도는 크지 않기 때문에 그 편평도 변화에 대하여 즉각적인 반응(이동)을 신속히 실행할 수 있다. 도 1에서 상기 스프링 부재는 코일스프링으로 나타나 있지만, 이에 제한되는 것은 아니며 신축 복원가능한 다른 부재가 채용될 수 있음은 명백한 것이다.
상기 자동 포커싱 유닛은 가공대상물(10)에 대한 포커싱 부재(20)의 초점 거리는 고정되게 구성될 수 있지만, 상기 가공대상물(10)에 대하여 포커싱 부재(20)를 상하 방향으로 이동시켜 포커싱 부재(20)의 초점 거리를 조절할 수 있는 초점거리 조절 수단을 더 포함할 수 있다. 상기 초점거리 조절 수단은 공지의 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 도 1에서는 초점거리 조절수단을 구성하는 수동 다이얼(360)을 통해 포커싱 부재(20)의 높이를 조절하는 예시를 나타내고 있다.
다음으로, 도 2를 참조하여 변형 예에 따른 자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치를 설명한다. 도 2는 본 발명의 변형 예에 따른 자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치의 주요부를 개략적으로 나타낸 구성도이다. 도 2에서 앞서 설명한 일 실시 예에 따른 레이저 가공장치의 구성요소와 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 참조부호를 부여하며, 동일 구성요소에 대해서는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 변형 예에 따른 자동 포커싱 유닛을 구비하는 레이저장치는, 레이저빔 발생원(100); 광학계; 수용체(200); 및 자동 포커싱 유닛을 포함한다.
상기 레이저빔 발생원(100) 및 광학계는 가공할 가공대상물(10)의 재질이나 특성, 가공 목적에 따라 레이저빔의 파장, 형상, 에너지분포 등의 가공 인자를 다양하게 선택할 수 있도록 구성될 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하 본 실시 예와 관련된 자동 포커싱 유닛에 대하여 상세히 설명한다.
상기 자동 포커싱 유닛은 수용체(200)의 일부를 구성하는 고정 하우징(310); 상기 포커싱 부재(20)가 고정되고, 상기 고정 하우징(310)의 하부에 위치되는 이동 하우징(320); 상기 고정 하우징(310)과 이동 하우징(320)의 대향 단부 간을 고정하되, 두 하우징을 수평적으로 연결하는 판형 연결 부재(510); 및 상기 이동 하우징(320)의 하단(즉, 가공대상물(10) 측을 향하는 단부)에 회전자유자재로 구비되며, 가공대상물(10)에 접촉하는 휠형 접촉 부재(340)를 포함한다.
상기 판형 연결 부재(510)는 고정 하우징(310)과 이동 하우징(320)이 상대적으로 탄성 상대이동되도록 연결하는 리프 스프링으로 구성되는 것이 바람직하다. 이는 가공대상물(20)의 처짐이나 휨, 또는 자체 가공 시에 갖는 표면 굴곡의 정도는 크지 않기 때문에 그 편평도 변화에 대하여 즉각적인 반응(이동)을 신속히 실행 할 수 있다.
도 2에서 고정 하우징(310)의 직경보다 작은 직경을 갖는 이동 하우징(320)을 나타내고 있지만, 고정 하우징(310)의 직경보다 큰 직경을 갖는 이동 하우징(320)으로 구성해도 무방하다. 여기에서, 상기 두 하우징(310), 320) 대향 단부들은 거의 동일 선상에 위치되도록 하는 것이다.
이하, 도 3을 참조하여 앞서 설명한 실시 예 및 그의 변형에 따른 자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치의 자동 포커싱 동작을 설명하면 다음과 같다. 도 3은 본 발명에 따른 자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치의 포커싱 동작을 설명하기 위한 설명도이다. 참고로, 도 3은 자동 포커싱 동작을 설명하기 위하여 가공대상물의 표면 편평도의 변화를 크게 나타낸 것이다.
미리 조절된 초점 거리를 갖는 레이저 가공장치는 휠 접촉부재(340)가 가공대상물(10)의 표면에 접촉하면서 광학계를 통한 레이저빔이 조사되어 가공대상물을 가공한다. 이때 A 지점에서의 초점 거리는 h이다.
이와 같은 상태에서 레이저 가공장치가 가공대상물(10)을 이동하여 편평도가 변화되는 B지점으로 진행하는 경우, 휠 접촉부재(340)는 가공대상물(10)의 표면에 접촉된 상태를 유지하고, 포커싱 부재(20) 및 휠 접촉부재(340)가 수용된 이동 하우징(320)은 연결 부재(코일 스프링)(330) 또는 판형 연결 부재(리프 스프링)(510)의 탄성 변형에 따라 고정 하우징(310) 측으로 이동하게 된다. 이 경우에도, 포커싱 부재(20)와 휠 접촉부재(340)는 이동 하우징(320)과 일체로 이동하기 때문에, 그 초점 거리는 h로 유지된다.
그런 다음, 레이저 가공장치가 가공대상물(10)의 C지점(A지점과 동일 편평도로 가정)으로 이동하는 경우, 이동 하우징(320)은 연결 부재(330) 또는 판형 연결 부재(510)의 복원력에 의하여 그 초점 거리(h)를 유지하면서 고정 하우징(310)으로부터 이동하게 된다.
상기한 바와 같이, 도 1 및 도 2에 나타낸 자동 포커싱 유닛은 기판에 접촉하는 휠 접촉부재과 포커싱 부재가 이를 수용하는 이동 하우징(320)에 의해 고정 하우징(310)에 대하여 일체로 이동하면서 그 초점 거리(h)는 항상 일정하게 유지하게 된다.
도 1 및 도 2는 접촉식 자동 포커싱 유닛을 설명한 실시 예이며, 도면에서는 가공대상물의 상측에서 가공하는 형태를 예로 들어 설명하였지만, 가공대상물의 하측에서 가공하는 경우에도 동일한 작용 효과를 달성할 수 있음은 자명한 것이다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명에 따르는 자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치의 다른 실시 예를 설명한다. 앞서 설명한 자동 포커싱 유닛이 접촉식인 반면, 본 실시 예는 가공대상물에 접촉하지 않고 포커싱하는 비접촉식 자동 포커싱 유닛의 예이다. 도 4는 본 발명에 따르는 자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치의 주요부를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 다른 실시 예에 따른 자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치는, 레이저빔을 발생시키는 레이저빔 발생원(미도시); 상기 레이저빔 발생원으로부터 레이저를 가공대상물(10)에 조사시키도록 소정의 광학부재들이 조합되어 구성되는 광학계; 상기 가공대상물(10)을 지지하며, 이동가능하게 구비되 는 지지부재(미도시); 상기 지지부재를 이동시키기 위한 지지부재 이동수단; 상기 광학계를 구성하는 포커싱 부재(20)를 수용하는 레이저 헤드(500); 상기 레이저 헤드(500)를 이동시키기 위한 레이저 헤드 이동수단; 상기 수용체(500)로부터 가공대상물(10)로 고압 공기를 토출하기 위한 공기 토출 수단; 상기 레이저헤드와 가공대상물 간의 압력 또는 레이저헤드의 단부와 가공대상물 간의 거리를 검출하는 검출수단; 상기 검출수단으로부터 제공받은 정보에 근거하여 상기 레이저 헤드(500) 및 지지부재 중 적어도 하나를 레이저 조사 방향으로 이동시키도록 제어하는 제어유닛을 포함한다.
본 실시 예에서, 상기 지지부재 및 지지부재 이동수단은 선택적으로 생략되도록 구성될 수 있으며, 상기 제어유닛은 레이저 헤드만을 제어하도록 구성된다.
상기 가공대상물을 이동가능하게 지지하는 지지부재(미도시)는 도면에 나타내지 않았지만, 지지부재는 가공대상물의 가장 자리를 파지하도록 구성되고, 상기 제어유닛의 명령에 의해 별도로 구성되는 구동수단의 구동에 의해 상하 이동가능하게(레이저빔 조사방향에 대한 이동) 구성되는데, 그 이동량은 매우 작으므로 미세 이동 가능한 방식의 메커니즘이 채용되며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 레이저 헤드 이동수단은 상기 제어유닛의 명령에 의한 구동수단에 의해 상하 이동가능하게(레이저빔 조사방향에 대한 이동) 구성되는데, 상기 지지부재와 유사하게 그 이동량은 매우 작기 때문에 미세 이동 가능한 방식의 메커니즘이 채용된다.
상기 검출수단은 공기토출수단에 의해 공급되어 레이저헤드와 가공대상물 사 이의 압력을 검출하는 압력센서로 구성되거나, 상기 레이저헤드와 가공대상물 간의 거리를 검출하는 거리검출 센서로 구성될 수 있다.
여기에서, 상기 검출수단은 레이저 가공장치의 이동방향에 대하여 레이저 헤드보다 앞에 구성되는 것이 바람직하다.
도 4에서 미설명부호 360은 포커싱 부재(20)의 높이를 조절하는 수동 다이얼을 나타낸 것이다.
이와 같이 구성되는 본 실시 예의 자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치의 동작을 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치의 동작을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 설명도이다.
먼저, 제어유닛에는 포커싱 부재(20)에 의해 초점 거리가 맞춰진 상태에서, 공기토출수단에 의해 가공대상물로 토출되는 기준 공기압(P) 또는 기준거리(D)는 미리 저장되어 있으며, 후술하는 오차 공기압(P1, P2) 또는 오차 거리(D1, D2)와 비교하여 구동수단을 제어한다.
미리 조절된 초점 거리를 갖는 레이저 가공장치는 공기토출수단에 의해 고압의 공기가 가공대상물로 토출되면서 광학계를 통한 레이저빔이 조사되어 가공대상물을 가공한다. 이때, 검출수단은 공기압 또는 거리에 대한 정보를 제어유닛에 지속적으로 제공한다. A지점에서 가공대상물(20)의 표면 편평도는 기준 편평도인 상태이며, 이때 초점 거리는 h이고, 기준압력은 P이며, 기준 거리는 D이다.
이와 같은 상태에서 레이저 가공장치가 가공대상물(10)을 이동하여 편평도가 오목하게 변화되는 B지점의 표면으로 진행하여 가공하는 경우, 검출수단은 오차 공기압(P1) 또는 오차 거리(D1)를 레이저 가공지점에 앞서 감지하여 이에 대한 정보를 제어유닛으로 송출하고, 상기 제어유닛은 기준공기압(P) 또는 기준거리(D)와 비교하여 오차만큼 보정되도록 레이저 헤드를 하방향으로 이동시키거나, 지지부재를 상방향으로 이동시키거나, 또는 레이저 헤드와 지지부재 모두를 서로 근접하게 이동시킨다. 여기에서, 가공 속도를 향상시켜 작업 효율을 높이기 위하여 레이저 헤드와 지지부재를 서로에 대하여 근접하게 이동시키는 것이 바람직하다.
다음으로, B지점에서 레이저 가공장치가 가공대상물(10)을 이동하여 편평도가 볼록하게 변화되는 C지점의 표면으로 진행하여 가공하는 경우, 검출수단은 오차 공기압(P2) 또는 오차 거리(D2)를 레이저 가공지점에 앞서 감지하여 이에 대한 정보를 제어유닛으로 송출한다.
상기 제어유닛은 기준공기압 또는 기준거리와 비교하여 오차만큼 보정되도록 레이저 헤드를 상방향으로 이동시키거나, 지지부재를 하방향으로 이동시키거나, 또는 레이저 헤드와 지지부재 모두를 서로 이격되게 이동시킨다. 여기에서, 가공 속도를 향상시켜 작업 효율을 높이기 위하여 레이저 헤드와 지지부재를 서로에 대하여 떨어지게 이동시키는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 도 4 및 도 5에 나타낸 자동 포커싱 유닛은 기판에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 통해 포커싱 부재가 일체로 구비되는 레이저 헤드 또는 가공대상물을 파지하는 지지부재를 이동시켜 포커싱 부재의 초점 거리를 자동 조절함으로써 그 초점 거리(h)는 항상 일정하게 유지하게 된다.
도 4 및 도 5는 비접촉식 자동 포커싱 유닛을 설명한 실시 예이며, 도면에서는 가공대상물의 상측에서 가공하는 형태를 예로 들어 설명하였지만, 가공대상물의 하측에서 가공하는 경우에도 동일한 작용 효과를 달성할 수 있음은 자명한 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경의 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1은 본 발명에 따르는 자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치의 일 실시 예의 주요부를 개략적으로 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명의 변형 예에 따른 자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치의 주요부를 개략적으로 나타낸 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치의 포커싱 동작을 설명하기 위한 설명도.
도 4는 본 발명에 따르는 자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치의 주요부를 개략적으로 나타낸 구성도.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 자동 포커싱 유닛을 구비한 레이저 가공장치의 동작을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 설명도.
*주요 도면부호에 대한 간단한 설명*
10: 가공대상물 20: 포커싱 부재
100: 레이저빔 발생원 200: 수용체
310: 고정 하우징 320: 이동 하우징
330: 연결 부재 340: 접촉 부재
350: 벨로우즈 부재 600: 검출 수단

Claims (14)

  1. 레이저빔을 발생시키는 레이저빔 발생원;
    상기 레이저빔 발생원으로부터 레이저빔을 가공대상물에 조사하도록 전달하는 광학계;
    상기 광학계를 구성하는 포커싱 부재를 수용하는 수용체; 및
    상기 수용체에 구성되고, 가공대상물의 표면에 대한 포커싱 부재의 초점 거리를 자동 조절하는 자동 포커싱 유닛
    을 포함하는 레이저 가공장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자동 포커싱 유닛은
    상기 가공대상물에 접촉하고 이동하는 접촉 구름부재;
    상기 가공대상물에 대한 레이저빔의 초점을 맞추는 포커싱 부재;
    단부에 상기 접촉 구름 부재가 회전자유자재로 설치되고, 내부에 포커싱 부재가 수용되며, 상기 접촉 구름 부재가 가공대상물의 표면을 따라 이동할 때, 표면의 편평도에 대응하여 이동가능하게 구성되는 이동수단
    을 포함하는 레이저 가공장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자동 포커싱 유닛은
    상기 수용체의 일부를 구성하는 고정 하우징;
    상기 포커싱 부재가 고정되고, 상기 고정하우징의 하부에 위치되는 이동 하우징;
    상기 고정 하우징과 이동 하우징의 대향 단부 사이에 고정되고, 두 하우징이 상대 이동가능하도록 연결하는 연결 부재; 및
    상기 가공대상물 측의 이동 하우징의 단부에 회전자유자재로 구비되는 접촉 부재를 포함하는
    레이저 가공장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연결 부재는
    상기 고정 하우징에 대하여 이동 하우징이 탄성 이동 및 복원되도록 지지하는 스프링부재로 이루어지는
    레이저 가공장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 연결 부재가 설치되는 두 하우징 사이의 외측에 구비되는 벨로우즈 부재(bellows member)를 더 포함하는
    레이저 가공장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자동 포커싱 유닛은
    상기 수용체의 일부를 구성하는 고정 하우징;
    상기 포커싱 부재가 고정되고, 상기 고정 하우징의 하부에 위치되는 이동 하우징;
    상기 고정 하우징과 이동 하우징의 대향 단부 간을 고정하되, 두 하우징을 수평적으로 연결하는 판형 연결 부재; 및
    상기 가공대상물 측의 이동 하우징의 단부에 회전자유자재로 구비되며, 가공대상물에 접촉하는 접촉 부재
    를 포함하는 레이저 가공장치.
  7. 레이저빔을 발생시키는 레이저빔 발생원;
    상기 레이저빔 발생원으로부터 레이저빔을 가공대상물에 조사시키도록 전달 하는 광학계;
    상기 광학계를 구성하는 포커싱 부재를 수용하는 레이저 헤드;
    상기 레이저 헤드를 이동시키기 위한 레이저 헤드 이동수단;
    상기 수용체로부터 가공대상물로 고압 공기를 토출하기 위한 공기 토출 수단;
    상기 레이저헤드와 가공대상물 간의 압력을 검출하는 압력검출수단;
    상기 압력검출수단으로부터 제공받은 정보에 근거하여 상기 레이저 헤드를 가공대상물에 대하여 상하로 이동시키도록 제어하는 제어유닛
    을 포함하는 레이저 가공장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 레이저헤드의 단부와 가공대상물 간의 거리를 검출하는 거리검출수단을 더 포함하는
    레이저 가공장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가공대상물을 지지하며, 이동가능하게 구비되는 지지부재; 및 상기 지지부재를 이동시키기 위한 지지부재 이동수단을 더 포함하며,
    상기 제어유닛은 상기 압력검출수단 및 거리검출수단으로부터 제공받은 정보에 근거하여 상기 레이저 헤드 및 지지부재 중 적어도 하나를 가공대상물에 대하여 상하로 이동시키도록 제어하도록 구성되는
    레이저 가공장치.
  10. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 가공대상물에 대하여 포커싱 부재를 상하 방향으로 이동시켜 포커싱 부재의 초점 거리를 조절하는 초점거리 조절수단을 더 포함하는
    레이저 가공장치.
  11. 레이저 가공장치에서의 레이저빔 포커싱 방법에 있어서,
    가공대상물에 레이저를 조사하고,
    상기 가공대상물의 표면을 따라 이동하는 접촉부재를 가공대상물에 대한 초점 거리가 맞춰진 포커싱 부재와 함께 이동시키면서 레이저빔을 포커싱하는
    레이저빔 자동 포커싱 방법.
  12. 레이저 가공장치에서의 레이저빔 포커싱 방법에 있어서,
    가공 대상물에 레이저를 조사하고,
    레이저빔이 조사되며, 초점 거리가 맞춰진 포커싱 부재를 수용하는 레이저 헤드로부터 가공 대상물에 고압 공기를 토출시키고;
    상기 가공대상물로 토출되는 공기압을 측정 검출하고;
    검출된 공기압과 미리 설정된 기준 공기압 간의 차가 발생하는 경우, 기준 공기압으로 되도록 상기 레이저 헤드를 이동시켜 초점 거리를 보정하는
    레이저빔 자동 포커싱 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 레이저헤드로부터 가공대상물 사이의 거리를 측정하고,
    측정된 거리와 미리 설정된 기준 거리 간의 차가 발생하는 경우, 기준 거리로 되도록 상기 레이저 헤드를 이동시켜 초점 거리를 보정하는 것을 더 포함하는
    레이저빔 자동 포커싱 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 측정된 압력과 거리에 근거하여 상기 레이저헤드 및 상기 가공대상물을 상하이동가능하게 지지하는 지지부재 중 적어도 하나를 이동시키도록 제어하는
    레이저빔 자동 포커싱 방법.
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