KR20150037693A - 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치 - Google Patents

레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치 Download PDF

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Abstract

레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치가 제공된다. 레이저장치는, 가공재료에 레이저광을 조사하는 레이저모듈, 레이저광이 조사되는 가공재료의 조사지점에서 방사되는 적외선, 조사지점에서 반사되는 레이저광의 반사광의 광량, 및 레이저광에서 분기된 분기광의 광량 중 적어도 하나를 측정하여 센싱신호를 출력하는 센서부, 및 센서부로부터 센싱신호를 입력받아 조사지점의 목표온도, 조사지점의 반사광의 목표광량, 및 레이저광의 분기광의 목표광량 중 적어도 하나를 추종하여 레이저모듈의 출력을 조절하는 제어모듈을 포함 한다.

Description

레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치{Laser apparatus capable of controlling power applying laser beam sensor}
본 발명은 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 조사되는 레이저 광의 출력이 일정하게 유지되도록 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치에 관한 것이다.
산업분야, 의료분야, 여러 대학교의 연구분야 등에서 다양한 종류의 레이저장치들이 활용되고 있다. 레이저장치는 해당분야에 이용이 적합한 다양한 범위의 레이저 광을 출력하도록 설계된다. 레이저장치는 예를 들어, 레이저발진장치, 스위칭장치, 조사장치 등을 포함하여 구성될 수 있다.
레이저 광은 방사된 광을 유도방출 과정을 통해 증폭한 것으로서 집속된광의 결맞음(coherence)으로 인해 평행성, 직진성, 가간섭성 등의 특별한 성질을 갖는다. 이러한 레이저 광의 출력을 설정된 범위 내에서 조정할 수 있도록 레이저장치를 구성할 수 있다. 그러나, 레이저 광의 특성상 종전의 광원과는 제어 방식이 상이하고 적용 분야가 달라 출력 등을 목적에 맞게 원활히 조정하는 것이 쉽지 않다.
예를 들어, 모재에 레이저 광을 조사하여 조사부위를 용접하거나, 납땜하는 등의 목적으로 사용하는 산업용 레이저장치 등의 경우, 레이저 광의 출력이 발진장치의 문제나 광 경로 상의 불특정한 원인 등에 의해 손실을 일으켜 불규칙하게 저하되는 문제가 있다. 이로 인해, 모재가 원하는 대로 가공되지 못하고 가공품질이 크게 낮아지기도 하였으나 종래의 레이저장치로는 이러한 문제를 해결하기 어려웠으며, 이에 대한 해결책도 마땅히 제시되고 있지 못한 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-0745295호, (2007.08.01)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 조사되는 레이저 광의 출력이 일정하게 유지되도록 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치를 제공하려는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 의한 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치는, 가공재료에 레이저광을 조사하는 레이저모듈; 상기 레이저광이 조사되는 상기 가공재료의 조사지점에서 방사되는 적외선, 상기 조사지점에서 반사되는 상기 레이저광의 반사광의 광량, 및 상기 레이저광에서 분기된 분기광의 광량 중 적어도 하나를 측정하여 센싱신호를 출력하는 센서부; 및 상기 센서부로부터 상기 센싱신호를 입력받아 상기 조사지점의 목표온도, 상기 조사지점의 반사광의 목표광량, 및 상기 레이저광의 분기광의 목표광량 중 적어도 하나를 추종하여 상기 레이저모듈의 출력을 조절하는 제어모듈을 포함한다.
상기 센서부는 상기 조사지점을 향하여 배치되어 상기 조사지점에서 방출되는 적외선을 감지하여 온도를 측정하는 온도센서일 수 있다.
상기 센서부는 0.7㎛~14㎛의 파장을 갖는 적외선을 검출할 수 있는 초전형 적외선 센서일 수 있다.
상기 센서부는 상기 조사지점의 온도변화량을 적분하여 상기 측정온도를 산출할 수 있다.
상기 센서부는 상기 조사지점에서 반사되는 상기 레이저광의 반사광의 광량을 측정하는 광센서일 수 있다.
상기 레이저모듈과 상기 가공재료 사이에 개재되어 상기 레이저광 또는 상기 레이저광의 반사광의 방향을 전환하는 반사부재를 더 포함하고, 상기 센서부는 상기 반사부재를 통해 반사되는 광을 측정할 수 있다.
상기 반사부재는 프리즘, 반투과미러, 및 빔 스플리터 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 레이저장치는, 상기 센서부와 상기 가공재료의 사이에 개재되며 상기 조사지점에 초점이 위치하는 포커싱렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 레이저장치는, 상기 센서부와 상기 가공재료 사이에 개재되며 상기 레이저광과 동일한 파장의 광, 또는 상기 조사지점의 목표온도 주변의 적외선 파장을 선택적으로 투광하는 투과필터를 더 포함할 수 있다.
상기 제어모듈은 상기 레이저모듈로 입력되는 구동신호와 상기 센싱신호 사이에 발생하는 지연시간을 보상하여 상기 레이저모듈을 제어할 수 있다.
본 발명에 의하면, 레이저광의 방사량, 조사지점의 온도 등을 반영하는 광센서, 온도센서 등의 센서를 효과적으로 활용하여 레이저장치로부터 조사되는 레이저 광의 출력이 감소하지 않도록 용이하게 제어할 수 있다. 따라서, 조사지점에 일정한 출력으로 레이저 광을 조사하여 레이저를 이용한 용접이나 납땜 등을 매우 용이하게 수행할 수 있으며, 이를 통해 가공품질을 매우 큰 폭으로 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 이러한 레이저장치를 출력을 일정하게 유지하여야 하는 다양한 분야에 적용하여 보다 안정적으로 작업을 수행하도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 레이저장치의 각 구성부간 관계를 도시한 블록도이다.
도 3은 도 2의 레이저장치의 작동과정을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 레이저장치의 센서부의 작동도이다.
도 5는 제어모듈로부터 발생되는 구동신호를 도시한 그래프이다.
도 6은 도 1의 레이저장치의 시간당 출력변화를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치의 요부를 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징 그리고 그것들을 달성하기 위한 방법들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며 본 발명은 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치의 구성도이고, 도 2는 도 1의 레이저장치의 각 구성부간 관계를 도시한 블록도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치(1)는 가공재료(B)에 레이저광(A)을 조사하는 레이저모듈(도 2의 100참조), 레이저광(A)이 조사되는 가공재료(B)의 조사지점에서 방사되는 적외선, 상기 조사지점에 반사되는 레이저광(A)의 반사광의 광량, 및 레이저광(A)에서 분기된 분기광의 광량 중 적어도 하나를 측정하여 센싱신호를 출력하는 센서부(200), 및 센서부(200)로부터 센싱신호를 입력받아 조사지점의 목표온도, 조사지점의 반사광의 목표광량, 및 레이저광(A)의 분기광의 목표광량 중 적어도 하나를 추종하여 레이저모듈(100)의 출력을 조절하는 제어모듈(300)을 포함한다.
즉, 상기 레이저장치(1)는 센서부(200)를 이용하여 레이저광(A)이 조사되는 가공재료(B)상에 형성되는 레이저광(A)의 조사지점으로부터 방출되는 적외선을 측정하거나, 레이저광(A)의 반사광의 광량을 측정하거나, 레이저광(A)에서 분기된 분기광의 광량을 측정하여 레이저광(A)의 방사량을 산출할 수 있으며, 이에 대응하여 출력을 실시간으로 조절함으로써 원하는 크기로 유지할 수 있다. 따라서, 가공재료(B)의 가공품질을 최상으로 유지하면서 용접이나 납땜 등의 가공작업을 용이하게 진행할 수 있다. 레이저광(A)은 파장이 0.2㎛~10㎛ 사이로 형성되어 가시광 영역뿐만 아니라 적외선 영역까지도 포함하도록 형성될 수 있다.
레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치(1)는 도 1에 도시된 바와 같이 몸체(10)와 스테이지(50) 상을 움직이는 스테이지로봇(60) 등을 포함하는 구조로 제작될 수 있으며, 몸체(10) 내 외부에 형성된 각 구성부들은 도 2에 도시된 바와 같이 서로 연결되어 상호 유기적으로 동작할 수 있다. 이하, 이에 대해 각 도면을 참조하여 좀 더 상세히 설명한다.
레이저모듈(100)은 몸체(10) 내부에 형성될 수 있다. 레이저모듈(100)은 전력을 공급받아 레이저광(A)을 발생시키며, 이를 일련의 광경로를 통해 제공하여 가공재료(B)에 조사할 수 있다. 레이저모듈(100)은 도 2에 도시된 바와 같이 스위칭부(110), 레이저다이오드(120), 및 출광부(130)를 포함하여 구성될 수 있다. 도시되지 않았지만, 레이저모듈(100)은 몸체(10) 내 외부에 형성된 전력공급장치와 연결되어 전력을 공급받고 레이저광(A)을 발생시킬 수 있다.
스위칭부(110)는 구동신호를 고속으로 스위칭하여 레이저다이오드(120)에 전달할 수 있으며, 레이저다이오드(120)는 전달된 구동신호에 대응하여 그에 대응하는 강도의 레이저광(A)을 생성할 수 있다. 생성된 레이저광(A)은 하나 이상의 렌즈를 포함하는 광학계로 이루어진 출광부(130)를 통해 레이저모듈(100)의 외부로 방사될 수 있다.
그러나 레이저모듈(100)의 구성이 이와 같이 한정될 필요는 없다. 본 발명의 일 실시예에 따라 레이저다이오드(120)로부터 레이저광(A)이 발생되는 구성이 도시되었으나, 레이저모듈(100)은 레이저광(A)을 생성하여 외부로 제공할 수 있는 여러 가지 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 여기광을 제공하는 광여기부, 상기 여기광을 제공받고 레이저광(A)을 생성하는 이득매질, 이득매질로부터 생성된 레이저광(A)을 펄스 형태로 출력하는 Q스위치 등을 포함하는 등의 방식으로 레이저모듈(100)의 구성을 다양하게 변경할 수 있다.
센서부(200)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 몸체(10)의 외부에 위치할 수 있다. 센서부(200)는 도 1에 도시된 바와 같이 레이저광(A)이 조사되는 가공재료(B)의 조사지점(즉, 직진광인 레이저광이 가공재료와 만나 가공재료가 가열되거나 용융되는 특정지점)을 향해 배치되어, 조사지점에서 방출되는 적외선을 감지하여 온도를 측정할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저장치(1)는 비접촉 방식으로 조사지점의 온도를 측정하는 적외선 센서부(200)로 구성될 수 있다.
특히, 센서부(200)는 조사지점으로부터 방사되는 적외선 중에서 열작용이 강하게 나타나는 0.7㎛~14㎛의 파장을 갖는 적외선을 검출할 수 있도록 초전형(pyroelectric) 적외선 센서로 이루어질 수 있다. 따라서 비접촉 방식으로도 상기 조사지점의 온도변화를 매우 정확하게 측정하고 그에 대응하는 센싱신호를 출력할 수 있다. 이와 같이 초전형 적외선 센서인 센서부(200)를 이용하면, 적외선의 열작용에 따라 변화하는 전류량에 의해 조사지점의 온도변화를 빠르게 파악할 수 있을 뿐만 아니라, 조사지점의 온도변화량을 소정 시간간격에 대응하여 적분하는 방식으로 측정온도를 용이하고 정확하게 산출할 수 있다.
그러나, 센서부(200)의 형성방식이 이와 같이 한정될 필요는 없다. 센서부(200)는 조사지점에서 방사되는 적외선 외에도, 조사지점에서 반사되는 레이저광(A)의 반사광의 광량을 측정하거나, 레이저광(A)에서 분기된 분기광의 광량을 측정하도록 형성될 수 있다. 이러한 경우, 센서부(200)는 조사지점에서 반사되는 레이저광의 반사광이나, 레이저광(A)에서 분기된 분기광의 광량을 측정하는 광센서로 형성될 수 있다.
즉, 본 발명의 센서부(200)는 조사지점에서 방사되는 적외선, 조사지점으로부터 반사되는 레이저광(A)의 반사광의 광량, 및 레이저광(A)에서 분기된 분기광 의 광량 중 적어도 하나를 측정하는 방식으로 구성되어 레이저광(A)의 방사량이나 조사지점의 온도 등을 효과적으로 반영할 수 있다. 센서부(200)가 이를 측정하면 조사지점의 온도, 조사지점으로부터 반사된 반사광의 광량, 레이저광(A)으로부터 분기된 분기광의 광량을 알 수 있어 후술할 제어모듈(300)이 조사지점의 목표온도, 조사지점의 반사광의 목표광량, 및 분기광의 목표광량 중 적어도 하나를 추종하여 레이저모듈(100)의 출력을 조절할 수 있다.
센서부(200)가 광센서로 형성되는 경우, 레이저모듈(100)과 가공재료(B) 사이에 개재되어 레이저광(A) 또는 레이저광(A)의 반사광의 방향을 전환하는 반사부재를 포함할 수 있으며, 센서부(200)는 반사부재(240)를 통해 반사되는 광을 측정하도록 형성될 수 있다. 이러한 반사부재는 예를 들어, 프리즘, 반투과미러, 및 빔 스플리터 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 이에 대해서는 본 발명의 다른 실시예에서 보다 상세히 설명하도록 하고, 이하에서는 센서부(200)가 적외선 센서로 형성되어 조사지점으로 방출되는 적외선을 측정하고 온도조절을 통해 레이저장치(1)를 조절하는 예에 대해서 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
한편, 센서부(200)의 일 측에 상기 센서부(200)와 가공재료(B)의 사이에 개재되고 상기 조사지점에 초점이 위치하는 포커싱렌즈(도 2 및 도 4의 210참조)가 형성될 수 있다. 즉, 조사지점으로부터 방출되는 적외선을 검출하여 온도를 측정하는 경우, 조사지점에 초점이 위치하도록 포커싱렌즈(210)를 배치하여 조사지점으로부터 방출되는 적외선을 선별, 집속하고 보다 정확하게 조사지점의 온도변화를 파악할 수 있다. 포커싱렌즈(210)는 도 2에 도시된 바와 같이 센서부(200)의 일 측에 센서부(200)와 일체로 움직이도록 형성될 수도 있으나 이와 같이 한정될 필요는 없다. 포커싱렌즈(210)는 센서부(200)와 분리되어 배치할 수 있으며, 가공재료(B)의 사이에 개재될 수 있는 다양한 방식으로 구성할 수 있다. 포커싱렌즈(210)의 배치상태에 따라서 포커싱렌즈(210)의 구경, 두께, 초점거리 등은 적절히 변화될 수 있다.
포커싱렌즈(210)는 센서부(200)가 적외선 센서로 형성되는 경우에만 한정적으로 적용될 필요는 없다 포커싱렌즈(210)는 센서부(200)가 전술한 바와 같이 광센서로 형성되는 경우에도 얼마든지 적용되어 반사광 또는 분기광을 선별, 집속하고 센서부(200)로 제공하는 역할을 할 수 있다.
센서부(200)와 가공재료(B) 사이에는 레이저광(A)과 동일한 파장의 광, 또는 조사지점의 목표온도 주변의 온도를 갖는 적외선 파장을 선택적으로 투광하는 투과필터(도 4의 230참조)가 형성될 수 있다. 따라서, 레이저광(A)의 반사광이 아니거나, 조사지점의 목표온도와 크게 차이 나는 파장대의 적외선들을 용이하게 제거하고 유효한 광들만을 집속하여 측정할 수 있다.
제어모듈(300) 역시 몸체(10) 내부에 형성될 수 있다. 제어모듈(300)은 센서부(200)로부터 센싱신호를 입력받고 측정온도를 추종하여 레이저모듈(100)의 출력을 조절한다. 제어모듈(300)은 내부에 신호를 증폭하는 신호증폭기를 포함할 수 있으며, 신호를 입력받고 이를 처리하는 연산이 가능한 연산장치를 포함하여 형성될 수 있다. 제어모듈(300)은 몸체(10) 내부에 위치하되, 몸체(10) 외측의 센서부(200)와 전기적으로 연결되고, 전술한 레이저모듈(100)과도 전기적으로 연결된다. 따라서, 센서부(200)로부터 전송된 센싱신호를 입력받고 그에 대응하는 구동신호를 출력하여 레이저모듈(100)에 전달할 수 있다.
제어모듈(300)과 센서부(200) 사이에는 센서부(200)로부터 전달된 센싱신호를 증폭하는 신호증폭부(310)가 형성될 수 있다. 따라서, 센서부(200)로부터 생성되고 제공된 센싱신호의 크기가 미약하더라도 이를 적절한 크기로 증폭하여 제어모듈(300)로 전송할 수 있다. 또한, 제어모듈(300)은 몸체(10) 일 측에 형성된 조작부(11)에 연결되어 조작신호를 인가받도록 형성될 수 있으며, 사용자는 조작부(11)의 버튼 등을 조작하여 조작신호를 인가하고 제어모듈(300)이 구동신호를 송출하도록 제어할 수 있다. 이를 통해 장치를 시동하거나 정지시킬 수 있고, 필요한 경우 수동으로 출력을 조절하는 것도 가능하다.
레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치(1)는 도 1에 도시된 바와 같이 스테이지(50), 및 스테이지(50)를 따라 수직 또는 수평방향으로 움직이는 스테이지로봇(60)을 포함할 수 있다. 따라서, 스테이지(50)위에 가공재료(B)를 배치하고 스테이지로봇(60)을 이동시켜 가공재료(B) 상의 특정한 지점에 레이저광(A)을 조사하는 것이 가능하다. 스테이지로봇(60)의 일 측에는 하나 이상의 렌즈가 복합적으로 배열되어 레이저광(A)을 집속하고 방사하도록 형성된 조사부(30)가 설치되며, 조사부(30)와 몸체(10)의 사이를 광가이드부(20)를 이용하여 연결할 수 있다. 이를 통해 몸체(10) 내부로부터 생성된 레이저광(A)이 광가이드부(20)를 따라 이동하여 조사부(30)를 통해 조사되도록 구성할 수 있다.
또한, 센서부(200)는 몸체(10) 등에 연결된 가요성지지체(40)에 의해 지지되어 그 위치가 적절하게 조절될 수 있다. 즉, 탄력적으로 변형되되 변형 상태를 유지하는 가요성지지체(40)를 이용하여 센서부(200)의 정렬위치를 자유롭게 조절할 수 있다. 따라서, 스테이지(50) 상의 어느 지점에 가공재료(B)가 놓여 있더라도 센서부(200)를 상기 가공재료(B)의 조사지점을 향해 보다 용이하게 정렬시킬 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치의 작동과정에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 3은 도 2의 레이저장치의 작동과정을 개념적으로 도시한 도면이고, 도 4는 도 1의 레이저장치의 센서부의 작동도이다. 도 5는 제어모듈로부터 발생되는 구동신호를 도시한 그래프이며, 도 6은 도 1의 레이저장치의 시간당 출력변화를 도시한 그래프이다.
레이저장치(1)는 제어모듈(300)로부터 구동신호(S3)가 송출되면 구동된다. 구동신호(S3)는 센서부(200)로부터 전송되는 센싱신호(S1)를 입력받고 이에 대응하여 송출될 수도 있으나, 조작신호(S2)를 입력 받고 송출될 수도 있다. 즉, 사용자는 장치의 시동 시점에 조작부(11)를 조작하여 조작신호(S2)와 구동신호(S3)를 차례로 입력하고 장치를 구동시킬 수 있다. 이와 같이 장치가 구동되면 레이저광(A)이 조사된다.
레이저광(A)은 전술한 바와 같이 레이저모듈(100)로부터 생성되며, 출광부(130), 광가이드부(20), 조사부(30) 등으로 이루어진 일련의 광경로를 통해 이동하여 가공재료(B)에 제공된다. 레이저광(A)은 가공재료(B)를 향해 광다발이 집속된 형태로 직진하여 조사되며 이를 통해 가공재료(B) 표면을 가열하여 용융시킬 수 있다. 전술한 스테이지로봇(도 1의 60참조)등을 이동시키면 가공재료(B)의 서로 다른 지점에 레이저광(A)을 연속적으로 조사하여 가공하는 것이 가능하다.
이와 같이 조사지점이 가열되면 조사지점으로부터 적외선(C)이 방출된다. 적외선(C)은 열작용이 상대적으로 강하므로 조사지점으로부터 직접 방출된 적외선(C)을 감지하면 조사지점의 온도를 보다 명확하게 측정할 수 있다. 특히, 도 4에 도시된 바와 같이, 센서부(200)와 가공재료(B) 사이에 개재되는 포커싱렌즈(210)를 이용하여 조사지점으로부터 방출되는 적외선(C)을 선택적으로 집속하고 센서부(200)에 제공할 수 있다. 포커싱렌즈(210)는 전술한 바와 같이 초점이 가공재료(B)의 레이저광(A)이 조사되는 조사지점에 위치하는 것으로, 도시된 바와 같이 조사지점으로부터 방출되는 적외선(C)은 집속하고, 조사지점에서 벗어난 주변부에서 생성되거나 방출되는 적외선들은 집속하지 않을 수 있다. 따라서 보다 명확하게 조사지점의 온도변화를 파악할 수 있다. 센서부(200)는 조사지점으로부터 방사되는 광 중 열작용이 특히 강한 0.7㎛~14㎛의 파장을 갖는 근적외선 영역을 검출할 수 있도록 전술한 바와 같이 초전형 적외선 센서로 형성되는 것이 바람직하다.
포커싱렌즈(210)와 센서부(200)는 경통(220) 등을 통해 서로 연결하여 일체로 형성할 수 있고, 이를 통해 포커싱렌즈(210)와 센서부(200)를 함께 이동시켜 포커싱렌즈(210)의 초점이 가공재료(B)의 조사지점에 위치하도록 포지셔닝할 수 있다. 전술한 바와 같이 가요성지지체(도 1 및 도 2의 40참조)를 이용하여 센서부(200) 및 이와 일체로 형성된 포커싱렌즈(210)를 움직여 적절한 위치에 정렬시킬 수 있다. 이러한 방식으로 가공재료(B)나 레이저광(A)이 조사되는 조사지점에 직접 접촉하지 않고도 매우 용이하게 조사지점의 온도를 측정할 수 있다.
적외선(C)을 감지하여 온도를 측정한 센서부(200)는 도 3에 도시된 바와 같이 이에 대응하여 센싱신호(S1)를 출력한다. 전술한 바와 같이 센서부(200)는 적외선(C)을 열량을 감지하여 조사지점의 온도변화를 감지할 수 있고, 온도변화량을 적분하는 방식으로 측정온도를 산출할 수 있다. 센서부(200)는 이와 같이 측정된 측정온도에 대응하는 크기의 센싱신호(S1)를 송출하여 제어모듈(300)에 전송한다. 센싱신호(S1)의 크기는 신호증폭부(310)를 통과하면서 적절한 크기로 증폭될 수 있다.
제어모듈(300)은 센싱신호(S1)의 크기 변화에 대응하여 다시 구동신호(S3)를 송출한다. 즉, 센서부(200)로부터 센싱신호(S1)를 입력받고 센싱신호(S1)로 측정온도의 변화를 파악하여 그에 대응하여 구동신호(S3)를 송출할 수 있다. 이를 통해, 조사지점의 목표온도를 추종하도록 레이저장치를 제어할 수 있다. 이 때, 측정온도가 낮아지는 경우에는 구동신호(S3)의 크기를 증가시켜 출력을 상승시키고, 측정온도가 과도하게 상승하는 경우에는 구동신호(S3)의 크기를 줄여 출력을 감소시키는 방식으로 출력과 측정온도를 매칭시켜 레이저장치(1)를 능동적으로 제어할 수 있다.
특히, 제어모듈(300)은 레이저모듈(100)로 입력되는 구동신호(S3)와 센싱신호(S1) 사이에 발생하는 지연시간을 보상하여 레이저모듈(100)을 제어할 수 있다. 즉, 센서부(200)로부터 온도값이 측정되고 센싱신호(S1)가 출력되는 시점과 이에 대응하여 구동신호(S3)가 송출되는 시점에 시간차가 생겨 장치의 제어가 정확하게 이루어지지 않을 수 있으므로, 시간차 보정이 가능한 제어방식으로 구동신호(S3)의 출력을 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어모듈(300)은 실시간으로 센싱신호(S1)를 입력받고 아날로그 비례적분미분제어(PID: proportional integral differential control) 방식으로 구동신호를 발생시킬 수 있다.
이를 통해 발생된 구동신호(S3)의 예가 도 5에 도시되어 있다. 구동신호(S3)는 측정온도의 변화에 대응하여 설정된 목표값에 대해 일부 진동하면서 신속하게 접근한다. 이 때 목표값은 목표온도에 해당하는 구동신호(S3)의 크기로 변화하는 측정온도의 증감폭에 대응하여 제어모듈(300) 내부에서 반사적으로 계산된 것일 수 있다. 즉, 측정온도가 과도하게 낮아지면 그에 대응하여 목표값 및 목표온도가 상승하고, 측정온도가 높아지면 그에 대응하여 목표값 및 목표온도가 감소할 수 있다. 제어모듈(300)은 비례적분미분제어 방식을 통해 이러한 목표값에 빠르게 접근하여 적절한 크기의 구동신호(S3)를 송출한다. 따라서, 센싱신호(S1)와 구동신호(S3)간에 형성될 수 있는 시간차를 보정하면서 매우 정확한 제어가 가능하다.
이러한 방식을 통해서, 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치(도 1 및 도 2의 1참조)의 출력이 유연하게 제어되고, 도 6에 도시된 바와 같이 일정 시점이 지나면 장치가 적정수준에서 목표온도에 추종하는 일정한 출력을 유지하게 된다. 이를 통해 불규칙하게 출력이 저하되거나, 또는 불필요하게 상승하는 일 없이 가공재료(B)의 온도에 대응하여 일정한 강도의 레이저광을 조사하고 가공재료의 가공품질 등을 크게 향상시킬 수 있다.
이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 의한 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치에 대해 상세히 설명한다. 설명이 간결하고 명확하도록 이하에서는 전술한 실시예와 차이나는 부분에 대해 중점적으로 설명하고 별도로 언급되지 않는 사항에 대한 설명은 모두 전술한 설명으로 대신한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치의 요부를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치는, 센서부(200)가 광센서로 형성되며, 레이저모듈(100)과 가공재료 사이에 개재되어 레이저광(A)의 방향을 전환하는 반사부재(240)를 포함한다. 반사부재(240)는 예를 들어, 반투과미러로 형성될 수 있다. 상기 도면은 도 1의 조사부(30)를 확대 도시한 것일 수 있으며, 반사부재(240)는 조사부(30)의 내측에 형성될 수 있다. 그러나, 이는 하나의 실시예일뿐 반사부재(240)의 설치위치나 배치상태 등은 필요에 따라 얼마든지 이와 다른 방식으로 변경될 수 있다.
이러한 방식으로 형성되면, 센서부(200)가 레이저광(A)의 분기광(반사부재로부터 센서부 사이로 진행하는 레이저광의 일부)을 수용하여 분기광의 광량을 직접 측정할 수 있다. 분기광은 반사부재(240)에 의해 레이저광(A)의 일부(예를 들어, 레이저광 중 10퍼센트 이하)가 반사된 것으로 레이저광(A)의 광량 증감에 대응하여 비례적으로 광량이 증감된다. 따라서 분기광의 광량을 측정하여 목표광량을 설정하고 목표광량을 추종하도록 레이저장치의 출력을 조절할 수 있다. 레이저장치의 출력 조절과정은 전술한 실시예에서 목표온도를 추종하도록 레이저장치의 출력을 조절하는 과정과 실질적으로 동일하다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 의한 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치로, 역시 불규칙하게 출력이 저하되거나, 또는 불필요하게 상승하는 일 없이 가공재료의 온도에 대응하여 일정한 강도의 레이저광을 조사하고 가공재료의 가공품질 등을 크게 향상시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 레이저 광센서를 적용하여 출력을 조절하는 레이저장치.
10: 몸체 11: 조작부
20: 광가이드부 30: 조사부
40: 가요성지지체 50: 스테이지
60: 스테이지로봇 100: 레이저모듈
110: 스위칭부 120: 레이저다이오드
130: 출광부 200: 센서부
210: 포커싱렌즈 220: 경통
230: 투과필터 240: 반사부재
300: 제어모듈 310: 신호증폭부
A: 레이저광 B: 가공재료
C: 적외선 S1: 센싱신호
S2: 조작신호 S3: 구동신호

Claims (10)

  1. 가공재료에 레이저광을 조사하는 레이저모듈;
    상기 레이저광이 조사되는 상기 가공재료의 조사지점에서 방사되는 적외선, 상기 조사지점에서 반사되는 상기 레이저광의 반사광의 광량, 및 상기 레이저광에서 분기된 분기광의 광량 중 적어도 하나를 측정하여 센싱신호를 출력하는 센서부; 및
    상기 센서부로부터 상기 센싱신호를 입력받아 상기 조사지점의 목표온도, 상기 조사지점의 반사광의 목표광량, 및 상기 레이저광의 분기광의 목표광량 중 적어도 하나를 추종하여 상기 레이저모듈의 출력을 조절하는 제어모듈을 포함하는 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 조사지점을 향하여 배치되어 상기 조사지점에서 방출되는 적외선을 감지하여 온도를 측정하는 온도센서인 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 센서부는 0.7㎛~14㎛의 파장을 갖는 적외선을 검출할 수 있는 초전형 적외선 센서인 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 조사지점의 온도변화량을 적분하여 상기 측정온도를 산출하는 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 조사지점에서 반사되는 상기 레이저광의 반사광의 광량을 측정하는 광센서인 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 레이저모듈과 상기 가공재료 사이에 개재되어 상기 레이저광 또는 상기 레이저광의 반사광의 방향을 전환하는 반사부재를 더 포함하고, 상기 센서부는 상기 반사부재를 통해 반사되는 광을 측정하는 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 반사부재는 프리즘, 반투과미러, 및 빔 스플리터 중 적어도 하나인 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 센서부와 상기 가공재료의 사이에 개재되며 상기 조사지점에 초점이 위치하는 포커싱렌즈를 더 포함하는 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 센서부와 상기 가공재료 사이에 개재되며 상기 레이저광과 동일한 파장의 광, 또는 상기 조사지점의 목표온도 주변의 적외선 파장을 선택적으로 투광하는 투과필터를 더 포함하는 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어모듈은 상기 레이저모듈로 입력되는 구동신호와 상기 센싱신호 사이에 발생하는 지연시간을 보상하여 상기 레이저모듈을 제어하는 레이저 광센서를 적용하여 광 출력을 조절하는 레이저장치.
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