KR20150038971A - 레이저 가공장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가공하고자하는 목적물의 높낮이를 측정하여 가공할 수 있는 레이저 가공장치에 관한 것으로서 보다 상세하게는 목적물을 가공하기 위한 제1 레이저와 목적물의 표면을 스캔하기 위한 제2 레이저가 발산되고 측정된 목적물의 높이 값에 따라 제1 레이저의 초점을 조절하는 전자초점가변렌즈가 구비된 레이저 가공장치에 관한 것이다.

Description

레이저 가공장치 {Laser processing apparatus}
본 발명은 가공하고자하는 목적물의 높낮이를 측정하여 가공할 수 있는 레이저 가공장치에 관한 것으로서 보다 상세하게는 목적물을 가공하기 위한 제1 레이저와 목적물의 표면을 스캔하기 위한 제2 레이저가 발산되고 측정된 목적물의 높이 값에 따라 제1 레이저의 초점을 조절하는 전자초점가변렌즈가 구비된 레이저 가공장치에 관한 것이다.
일반적으로 레이저는 광의 강도가 높고 직진성이 우수하며 비접촉 가공이 가능하기 때문에, 고경도의 대상물 또는 취성재료의 절단이나 대상물의 표면을 절삭하는 공정에 유용하다. 또한 레이저는 자유곡선 등의 복잡한 형상도 가공할 수 있기 때문에 최근 산업계에서 널리 사용되고 있다.
레이저를 사용하여 대상물을 가공하려면 레이저를 이용한 가공장치가 필요하다. 레이저 가공장치란, 레이저 발진기로부터 발산되는 레이저를 레이저 전송수단을 이용하여 전송한 후, 최종적으로 가공하고자 하는 목적물에 레이저를 조사하여 절단, 드릴링, 마킹 등의 작업을 동시에 수행할 수 있는 장치를 말한다.
이와 같은 종래의 레이저 가공장치는 목적물의 표면에 조사되는 레이저의 초점이 맺히도록 초점을 조절한 후 표면이 일정한 목적물만 가공할 수 있었다. 예를 들면 특정한 위치에 초점이 형성되는 레이저에 판형상의 목적물을 이동시켜 표면에 구멍을 뚫거나 그림 및 글자 형상화 하여 가공하는 방법과 판형상의 목적물은 고정되고 평면상의 X축과 Y축으로 레이저를 이동시켜 목적물을 가공하는 방법이 주로 사용되었다. 이처럼 종래의 레이저 가공장치는 표면이 일정한 목적물만 가공할 수 있어 가공하고자 하는 목적물에 따라 그 사용이 제한되는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점으로 인해 목적물의 높낮이를 스캔한 후 렌즈의 높이를 조절하여 목적물을 가공할 수 있는 개량된 종래의 레이저 가공장치가 개발되으나, 목적물 표면의 높음과 낮음을 인식하지 못하는 오류가 빈번하게 발생하였고, 초점을 조절하는 렌즈의 높이를 모터를 구동하여 조절함으로써 반응속도가 느려 가공시간이 증가되는 문제점이 있었다.
따라서 레이저를 X축과 Y축으로 이동시킬 수 있을 뿐만 아니라 목적물의 표면의 높음과 낮음을 명확하게 측정할 수 있고 반응속도가 향상되며 실시간으로 목적물을 스캔할 수 있는 레이저 가공장치의 개발이 필요한 실정이다.
1. 공개특허공보 제10-2012-0100770호 레이저 가공장치 (공개일자 2012.09.12) 2. 공개특허공보 제10-2005-0063094호 레이저빔의 초점 자동조절장치 (공개일자 (2005.06.28)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 목적물의 X축 Y축 Z축의 표면을 스캔할 수 있는 스캔용 레이저를 발산하고 스캔된 목적물을 컴퓨터를 통해 분석한 후 가공용 레이저의 초점을 조절하여 목적물을 가공할 수 있는 레이저 가공장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 목적물의 높이에 따라 가공용 레이저의 초점을 조절할 수 있는 전자초점가변렌즈를 구비하되, 전자초점가변렌즈는 전류의 세기에 의해 구동하여 가공용 레이저의 초점을 조절할 수 있는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 레이저 가공장치는 목적물을 가공하기 위한 가공부(1000) 및 상기 목적물의 표면을 x,y,z,축으로 스캔하기 위한 스캔부(2000)를 포함하는 레이저 가공장치이되, 상기 가공부(1000)는 제1 레이저가 발산되는 제1 레이저 발생기(1100); 상기 제1 레이저 발생기(1100)로부터 발산된 제1 레이저가 투과되되, 외부로부터 인가받는 전류의 세기에 의해 상기 목적물에 맺히는 초점의 위치를 목적물의 수직방향으로 조절하기 위한 제1 전자초점가변렌즈(1200); 상기 제1 전자초점가변렌즈(1200)를 제어하기 위한 제1 제어부(1300); 상기 제1 전자초점가변렌즈(1200)를 투과한 제1 레이저의 초점이 목적물의 수평방향으로 이동되도록 상기 제1 레이저의 각도를 조절하고 조절된 각도값에 따라 제1 레이저의 수평방향의 초점위치를 조절하는 광스캐너(1400);를 포함하고,
상기 스캔부(2000)는 목적물을 스캔하기 위해 목적물의 표면에 반사되어 되돌아오는 제2 레이저가 발산되는 제2 레이저 발생기(2100); 발산된 제2 레이저가 목적물에 반사되어 돌아오면 반사된 제2 레이저를 감지하여 목적물의 높낮이를 측정하는 측정센서(2200); 상기 제2 레이저가 상기 제1 레이저가 발산되는 동일한 경로를 따라 발산되도록 상기 제2 레이저는 반사시키고 상기 제1 레이저는 투과시키는 제1 파장선택미러(2300); 제2 레이저가 상기 제1 파장선택미러(2300)로 발산되도록 제2 레이저를 반사시키고, 목적물로부터 반사되어 돌아오는 제2 레이저는 상기 측정센서(2200)로 발산되도록 투과시키는 제2 빔스플리터(2400); 상기 측정센서(2200)를 통해 측정된 목적물의 높낮이에 따라 상기 초점위치조절렌즈(1200)를 구동시키도록 상기 제1 제어부(1300)에 특정신호를 전달하는 제2 제어부(2500);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2 빔스플리터(2400)와 상기 측정센서(2200) 사이에는 상기 목적물로부터 반사된 제2 레이저가 투과되는 제1 비구면렌즈(2600)와 상기 제1 비구면렌즈(2600)와 교차되도록 위치하며 상기 제1 비구면렌즈(2600)를 투과한 상기 제2 레이저가 투과되는 제2 비구면렌즈(2700)가 설치되고, 상기 측정센서(2200)는 적어도 2개 이상의 면적으로 분할되어 반사된 제2 레이저의 초점 형상에 의해 목적물의 높낮이를 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 광스캐너(1400)는 상기 제1 레이저가 반사되는 각도를 조절하기 위해 상기 제1 제어부(1300)에 의해 특정신호를 전달받아 회전하는 위치조절미러(1410)와 상기 위치조절미러(1410)에 의해 반사된 제1 레이저의 각도값에 의해 가변되는 제1 레이저와 목적물의 거리에 따라 목적물에 맺히는 제1 레이저의 수평방향의 초점을 조절하는 제2 전자초점가변렌즈(1420)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 제1 레이저의 초점을 조절하는 제1 전자초점가변렌즈가 전류구동방식으로 작동하고 단일렌즈 구조하에서 운영될 수 있도록 소형화 되었으며 이에 따라 설치가 용이한 장점 및 빠른 응답속도로 인해 목적물의 가공시간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라 컴퓨터 및 다양한 운영체제에 의해 제어가 될 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명은 스캔부에서 목적물을 스캔하기 위해 목적물의 표면에 반사되어 되돌아오는 제2 레이저의 형상을 감지하여 높낮이를 정확하게 측정하는 측정센서를 구비하고 이로 인해 목적물을 가공할 때 불량의 발생을 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 1 은 본 발명의 레이저 가공장치에 대한 구성도.
도 2 는 본 발명의 스캔부에서 발산되는 제2 레이저의 이동경로를 나타낸 구성도.
도 3 은 본 발명의 측정센서의 구성과 측정방법을 나타내기 위한 개략적인 구성도.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1 은 본 발명의 레이저 가공장치에 대한 구성도, 도 2 는 본 발명의 스캔부에서 발산되는 제2 레이저의 이동경로를 나타낸 구성도, 도 3 은 본 발명의 측정센서의 구성과 측정방법을 나타내기 위한 개략적인 구성도에 관한 것이다.
도 1 을 참조하면 본 발명의 레이저 가공장치는 가공하고자 하는 목적물을 가공하는 가공부(1000)와 목적물의 표면을 스캔하기 위한 스캔부(2000)를 포함한다. 스캔부(2000)는 목적물의 표면을 x축, y축, z축 모두 스캔할 수 있고, 스캔한 데이터와 하술하는 제1 제어부(1300)가 동시에 구동하면 실시간으로 하술하는 가공부(1000)의 Z축 초점위치가 조절된다. 또한 스탠한 데이터를 컴퓨터 등 다양한 운영체제로 전달하여 분석한 후 가공부(1000)에 전달하여 사용자가 미리 설정한 데이터를 통해 가공부(1000)가 목적물을 가공할 수 있다.
도 1 을 참조하면 가공부(1000)는 제1 레이저 발생기(1100), 제1 전자초점가변렌즈(1200), 제1 제어부(1300), 광스캐너(1400)를 포함한다.
제1 레이저 발생기(1100)는 목적물을 가공하기 위한 제1 레이저가 발산된다. 제1 레이저 발생기(1100)의 전방에는 발산된 제1 레이저의 굵기를 증폭시킬 수 있는 빔 익스팬더(미도시) 등이 구비될 수 있다.
제1 전자초점가변렌즈(1200)는 제1 레이저 발생기(1100)로부터 발산된 제1 레이저가 투과되며 목적물를 가공하기 위해 제1 레이저가 목적물의 표면에 맺히는 초점을 조절한다. 이때 제1 전자초점가변렌즈(1200)는 목적물의 수직방향의 초점을 조절할 수 있다. 제1 전자초점가변렌즈(1200)는 외부로부터 전력을 인가받아 작동하며 인가받는 전류의 세기에 의해 내부에 박막구조의 특수 폴리머가 제자리에서 곡률(R)을 변동해 제1 레이저의 초점을 조절할 수 있다. 또한 제1 전자초점가변렌즈(1200)는 0~300mA의 낮은 전력으로도 구동할 수 있고 전류에 의해 구동되기 때문에 제1 레이저의 초점을 조절하는 속도가 증가하는 장점이 있다. 제1 전자초점가변렌즈(1200)는 제1 레이저의 방사각을 조절하여 목적물에 맺히는 초점크기를 조절하는 튜너블렌즈(Tunable lens)인 것이 바람직하다.
제1 제어부(1300)는 제1 전자초점가변렌즈(1200)를 제어하기 위해 제1 전자초점가변렌즈(1200)로 전력을 인가한다. 즉 제1 제어부(1300)는 상기 스캔부(2000)로부터 목적물의 표면을 스캔한 데이터를 입력 받은 후 제1 전자초점가변렌즈(1200)구동시켜 제1 레이저의 초점을 조절한다. 따라서 목적물의 표면에 제1 레이저의 초점이 정확하게 맺히면 목적물을 가공할 수 있다.
광스캐너(1400)는 제1 전자초점가변렌즈(1200)를 투과한 제1 레이저 각도를 조절하여 초점을 이동시킬 수 있다. 이때 제1 레이저의 초점은 목적물의 수평방향으로 이동한다. 광스캐너(1400)는 조절되는 각도값(θ)에 따라 목적물에 맺히는 제1 레이저의 초점의 위치를 조절할 수 있다.
도 1 및 도 2 를 참조하면 광스캐너(1400)는 위치조절미러(1410)와 제2 전자초점가변렌즈(1420)를 포함한다.
위치조절미러(1410)는 제1 레이저의 각도를 조절하기 위해 제1 레이저를 반사시킬 수 있으며 제1 제어부(1300)에 의해 특정신호를 전달받아 제1 레이저의 각도값을 조절하도록 회전된다.
제2 전자초점가변렌즈(1420)는 제1 레이저의 초점이 목적물에서 수평방향으로 이동할 때 변경되는 제1 레이저의 초점을 조절한다. 이는 위치조절미러(1410)에 의해 제1 레이저의 각도값(θ)이 변경되면 위치조절미러(1410)에 반사된 제1 레이저의 길이(목적물의 표면에 도달하는 거리)가 목적물의 표면 상태에 따라 가변되므로 목적물의 표면에 맺히는 초점을 조절하기 위함이다. 제2 전자초점가변렌즈(1420)는 에프세타렌즈(F-theta lens)인 것이 바람직하다.
도 1 및 도 2 를 참조하면 스캔부(2000)는 제2 레이저가 발산되는 제2 레이저 발생기(2100), 측정센서(2200), 제1 파장선택미러(2300), 제2 빔스플리터(2400), 제2 제어부(2500)를 포함한다. 제2 레이저 발생기(2100)는 목적물을 스캔하기 위해 목적물의 표면에 반사되어 발산된 이동경로로 되돌아오는 제2 레이저를 발산한다. 여기서 제2 레이저 발생기(2100)는 목적물의 재질에 따라 제2 레이저의 파장을 변형하여 목적물로부터 반사되는 반사율을 확보한다.
측정센서(2200)는 목적물의 표면으로부터 반사되어 되돌아온 제2 레이저를 통해 목적물의 높낮이를 측정할 수 있다. 측정센서(2200)는 제2 레이저의 형상을 감지하여 목적물의 높낮이를 측정할 수 있다.
제1 파장선택미러(2300)는 제2 레이저가 제1 레이저와 동일한 경로를 가지며 발산되도록 제2 레이저를 반사시킨다. 이때 제2 레이저는 목적물의 표면에 반사된 후 제1 파장선택미러(2300)에 반사되고 제2 빔스플리터(2400)를 투과한 후 측정센서(2200)로 투과된다. 제1 파장선택미러(2300)는 제1 초점렌즈(1200)의 전방에 위치하여 제2 레이저가 상기 제1 레이저가 발산되는 동일한 경로를 따라 발산되도록 제1 레이저는 투과시키고 제2 레이저는 반사시킬 수 있다.
제2 빔스플리터(2400)는 제2 레이저가 제1 파장선택미러(2300)로 발산되도록 제2 레이저 발생기(2100)를 통해 발산된 제2 레이저는 반사시키고 목적물로부터 반사되어 돌아오는 제2 레이저는 투과시켜 제2 레이저가 측정센서(2200)로 발산되도록 투과시킨다.
제2 제어부(2500)는 측정센서(2200)와 연결되며 측정센서(2200)를 통해 측정된 목적물 표면의 높낮이 측정값을 전달받은 후 데이터화하고 특정신호를 통해 제1 제어부(1300)로 전달한다. 이후 제1 제어부(1300)는 제1 전자초점가변렌즈(1200)로 특정신호를 전달하고 제1 전자초점가변렌즈(1200)는 제1 레이저의 초점을 조절해 목적물을 가공할 수 있다. 한편 제2 제어부(2500)와 측정센서(2200) 사이에는 A/D컨버터(analog to digital converter)(2800)가 구비될 수 있다.
도 1 및 도 2 를 참조하면 스캔부(2000)는 제2 빔스플리터(2400)를 투과한 제2 레이저가 투과되는 제1 비구면렌즈(2600)와 제2 비구면렌즈(2700)를 더 포함할 수 있다. 제1 비구면렌즈(2600) 및 제2 비구면렌즈(2700)는 하방향 또는 상방향으로 돌출된 반원을 갖는 원기둥 형상으로 형성될 수 있다. 제1 비구면렌즈(2600)와 제2 비구면렌즈(2700)는 일정간격 이격되어 있으며 상호 교차되도록 위치할 수 있다.
도 3 을 참조하면 측정센서(2200)는 적어도 2개 이상의 면적으로 분할되되 4면을 갖는 면적으로 분할되는 것이 바람직하다. 즉 각각의 분할면적을 투과하는 제2 레이저의 면적을 전류값으로 수치화하여 제2 제어부(2500)로 측정된 전류값을 전달할 수 있다. 이하 측정센서(2200)는 A, B, C, D로 분할된 분할면적을 갖는 것으로 가정한 후 설명한다.
도 3의 (a)를 참조하면 제2 레이저는 목적물에 기준이되는 일정한 기준점(O)에 초점이 맺히도록 발산된다.(기준점(O)은 일정한 수평면을 유지하는 것이 바람직하다.) 이때 목적물의 높이와 기준점(O)이 동일하면 반사된 제2 레이저가 측정센서(2200)의 4개의 분할면적이 동일한 전류값을 가지도록 조사된다.
도 3의 (b)를 참조하면 목적물의 높이가 기준점(O)보다 높으면 반사된 제2 레이저의 형상이 변형되어 측정센서(2200)에 조사된다. 이때 측정센서(2200)의 A와 B 영역 보다 C와 D 영역에 조사되는 제2 레이저의 면적이 증가한다.
도 3의 (c)를 참조하면 목적물의 높이가 기준점(O)보다 낮으면 반사된 제2 레이저의 형상이 변형되는데, 이때 측정센서(2200)의 C와 D 영역 보다 A와 B 영역에 조사되는 제2 레이저의 면적이 증가한다. 따라서 측정센서(2200)의 각각의 영역에 조사되는 제2 레이저 면적의 증가와 감소로 인해 목적물의 높이차를 측정할 수 있다. 단, 제2 레이저가 조사되는 면적의 증가율과 방향은 제1 비구면렌즈(2600) 및 제2 비구면렌즈(2700)의 배열과 위치에 따라 달라질 수 있다.
이처럼 본 발명의 레이저 가공장치는 제1 전자초점가변렌즈(1200)를 통해 목적물의 가공시간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라 측정센서(2200)가 목적물의 표면의 높낮이를 정확하게 측정할 수 있음으로 목적물을 가공할 때 불량품이 발생되는 것을 최소화할 수 있는 이점이 있다.
1000 : 가공부 1100 : 제1 레이저 발생기
1200 : 제1 전자초점가변렌즈 1300 : 제1 제어부
1400 : 광스캐너 1410 : 위치조절미러
1420 : 제2 전자초점가변렌즈 2000 : 스캔부
2100 : 제2 레이저 발생기 2200 : 측정센서
2300 : 제1 파장선택미러 2400 : 제2 빔스플리터
2500 : 제2 제어부 2600 : 제1 비구면렌즈
2700 : 제2 비구면렌즈 2800 : A/D 컨버터
O : 기준점

Claims (3)

  1. 목적물을 가공하기 위한 가공부(1000) 및 상기 목적물의 표면을 x,y,z,축으로 스캔하기 위한 스캔부(2000)를 포함하는 레이저 가공장치이되,
    상기 가공부(1000)는
    제1 레이저가 발산되는 제1 레이저 발생기(1100);
    상기 제1 레이저 발생기(1100)로부터 발산된 제1 레이저가 투과되되, 외부로부터 인가받는 전류의 세기에 의해 상기 목적물에 맺히는 초점의 위치를 목적물의 수직방향으로 조절하기 위한 제1 전자초점가변렌즈(1200);
    상기 제1 전자초점가변렌즈(1200)를 제어하기 위한 제1 제어부(1300);
    상기 제1 전자초점가변렌즈(1200)를 투과한 제1 레이저의 초점이 목적물의 수평방향으로 이동되도록 상기 제1 레이저의 각도를 조절하고 조절된 각도값에 따라 제1 레이저의 수평방향의 초점위치를 조절하는 광스캐너(1400);를 포함하고,
    상기 스캔부(2000)는
    목적물을 스캔하기 위해 목적물의 표면에 반사되어 되돌아오는 제2 레이저가 발산되는 제2 레이저 발생기(2100);
    발산된 제2 레이저가 목적물에 반사되어 돌아오면 반사된 제2 레이저를 감지하여 목적물의 높낮이를 측정하는 측정센서(2200);
    상기 제2 레이저가 상기 제1 레이저가 발산되는 동일한 경로를 따라 발산되도록 상기 제2 레이저는 반사시키고 상기 제1 레이저는 투과시키는 제1 파장선택미러(2300);
    제2 레이저가 상기 제1 파장선택미러(2300)로 발산되도록 제2 레이저를 반사시키고, 목적물로부터 반사되어 돌아오는 제2 레이저는 상기 측정센서(2200)로 발산되도록 투과시키는 제2 빔스플리터(2400);
    상기 측정센서(2200)를 통해 측정된 목적물의 높낮이에 따라 상기 제1 전자초점가변렌즈(1200)를 구동시키도록 상기 제1 제어부(1300)에 특정신호를 전달하는 제2 제어부(2500);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 빔스플리터(2400)와 상기 측정센서(2200) 사이에는 상기 목적물로부터 반사된 제2 레이저가 투과되는 제1 비구면렌즈(2600)와 상기 제1 비구면렌즈(2600)와 교차되도록 위치하며 상기 제1 비구면렌즈(2600)를 투과한 상기 제2 레이저가 투과되는 제2 비구면렌즈(2700)가 설치되고,
    상기 측정센서(2200)는 적어도 2개 이상의 면적으로 분할되어 반사된 제2 레이저의 초점 형상에 의해 목적물의 높낮이를 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광스캐너(1400)는
    상기 제1 레이저가 반사되는 각도를 조절하기 위해 상기 제1 제어부(1300)에 의해 특정신호를 전달받아 회전하는 위치조절미러(1410)와
    상기 위치조절미러(1410)에 의해 반사된 제1 레이저의 각도값에 의해 가변되는 제1 레이저와 목적물의 거리에 따라 목적물에 맺히는 제1 레이저의 수평방향의 초점을 조절하는 제2 전자초점가변렌즈(1420)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
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