KR20160146371A - 고출력 레이저 발생 장치의 고장 진단 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 고출력 레이저 발생 장치의 고장 진단 방법은 레이저 발생 장치에서 출력되는 출력 파워를 측정하는 단계와, 상기 출력 파워의 측정 결과 파워 오프일 경우 레이저 발생 장치의 통신 모듈, 제어기 및 전원 공급기 중 어느 하나의 수리가 필요한 것으로 판단하는 단계와, 상기 파워 측정 결과 출력 파워가 기 설정된 값 이하의 저출력인 경우 상기 레이저 발생 장치의 레이저 다이오드의 수리 또는 교체가 필요한 것으로 판단하는 단계와, 상기 파워 측정 결과 기 설정된 시간 동안 출력 파워가 불규칙한 경우 상기 레이저 발생 장치의 Nd : YAG rod, Q-switch, 크리스탈 및 렌즈 중 적어도 하나 이상의 수리가 필요한 것으로 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고출력 레이저 발생 장치의 고장 진단 방법{METHOD FOR FAULT DIAGNOSIS OF HIGH POWER LASER GENERATOR}

본 발명은 고출력 레이저 발생 장치의 고장 진단 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 레이저(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, LASER)란 외부의 자극에 의해 매질로부터 빛을 방출하게 하고, 공진기에 의해 증폭된 빛을 말한다.

이러한 레이저는 증폭 매질, 공진기, 펌핑 소스(Pump Source)로 구성되어 있으며, 매질의 종류에 따라 예컨대,가스 레이저, 고체 레이저, 반도체 레이저, 그리고 광섬유 레이저 등으로 분류된다.

특히, 레이저는 사용이 용이하고 깨끗하며 신속한 가공결과를 제공하기 때문에 여러 산업분야에 응용되고 있으며, 고출력 레이저에 대한 요구 증가로 새로운 산업용 레이저 개발이 꾸준히 이루어지고 있다.

상기 광섬유 레이저는 고체 레이저 중에서도 유례없이 높은 광-광 변환 효율을 갖고 있으며, 좋은 빔 품질을 갖고 있을 뿐 아니라 광섬유 자체에 공진기를 형성할 수 있으므로 일반 레이저와 같은 매질과 분리된 공진기를 갖지 않기 때문에 유지보수가 필요 없어 산업용 광원으로서 각광을 받고 있다.

현재 시장에서의 광섬유 레이저의 개발은 고출력 연속 동작레이저, 펄스 동작 레이저, 초고속 광원으로써의 개발이 이루어지고 있으며, 지난 수년 간 많은 레이저 관련 회사들이 산업용으로 사용되는 KW급 레이저를 제작하고 있다.

상술한 바와 같이 다양한 형태의 고출력 레이저와 더불어 고출력 레이저의 이상 검출 시스템이 병행되어 개발되고 있다.

일반적인, 이상 검출 시스템에서는 고출력 레이저의 동작 이상이 발생하면, 레이저 장치에 부설된 디스플레이상의 경고표시나 경고음 등에 의해 장치가 동작이상 상태에 있음을 사용자에게 통지한다. 또한, 사용자는 점검, 수리 등을 하는 보수요원에게 연락하여, 보수요원이 도착할 때까지 대기하고 있었다.

한편, 많은 기종의 고출력 레이저에서는 동작 이상이라고 판정되지 않은 동작범위에서, 광학부품의 열화에 의해 광출력 파워가 저하되었을 경우, 입력전압을 증가시켜 광출력의 저하를 보상하였기 때문에, 출력 열화의 원인인 광학부품에 과도한 부하가 걸려 파괴적인 손상에 이르는 경우가 있었다. 사용자는 고장에 의해 의료, 가공 등의 행위에 지장이 발생하는 상태가 되어서야 비로소 장치의 이상을 인식하고, 보수요원에게 수리를 의뢰하는 경우가 많았다.

상기의 이상 검출방법에서는 레이저 장치에 이상이 발생할 때까지 보수요원에게 연락이 이루어지지 않기 때문에, 고장의 발견이 늦어져 레이저 장치에 과도한 손상이 발생하여 수리가 완료할 때까지 상당 정도의 시간이 필요하게 된다는 문제가 있었다. 예를 들어, 의료용 레이저 장치에서 중대한 고장이 발생하면, 고장이 수리될 때까지 레이저 장치를 이용할 수 없다는 문제점이 있다. 또한, 고장이 발생하면, 사용자는 수리를 할 수 없기 때문에, 보수요원에게 연락하여 보수요원의 수리가 완료될 때까지 대기해야 하여, 대기중에 레이저 장치를 사용할 수 없게 되는 것에 기인하여 발생하는 비용을 포함하여 수리 비용이 든다는 문제가 있었다.

대한민국 등록특허 제10-1335546호(2013.12.02. 등록)

본 발명은 고출력 레이저 발생 장치에 대한 고장 발생 시 레이저 발진기를 구성하고 있는 광학 부품 소자에 대한 동작 데이터 값의 비교 및 분석하여 불량 소자를 찾아내고, 불량 소자에 대한 신속한 대응 조치를 통해 수리비용을 절감할 수 있는 고출력 레이저 발생 장치의 고장 진단 방법을 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 실시예에 따른 고출력 레이저 발생 장치의 고장 진단 방법은 레이저 발생 장치에서 출력되는 출력 파워를 측정하는 단계와, 상기 출력 파워의 측정 결과 파워 오프일 경우 레이저 발생 장치의 통신 모듈, 제어기 및 전원 공급기 중 어느 하나의 수리가 필요한 것으로 판단하는 단계와, 상기 파워 측정 결과 출력 파워가 기 설정된 값 이하의 저출력인 경우 상기 레이저 발생 장치의 레이저 다이오드의 수리 또는 교체가 필요한 것으로 판단하는 단계와, 상기 파워 측정 결과 기 설정된 시간 동안 출력 파워가 불규칙한 경우 상기 레이저 발생 장치의 Nd : YAG rod, Q-switch, 크리스탈 및 렌즈 중 적어도 하나 이상의 수리가 필요한 것으로 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 고출력 레이저 발생 장치의 고장 진단 방법은 레이저 장치의 내부 광학 부품을 통화한 레이저 빔의 최종 파워 값을 디텍터 장비를 이용하여 감지하고, 감지한 최종 파워 값의 변화율의 분석을 통해 고장을 진단할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 고출력 레이저 발생 장치의 고장 진단 방법은 레이저 발지기 구동 시 발생되는 레이저 파워 값이 기 설정된 값 이하로 낮게 측정된다면 레이저 발진기 내부 광학 부품을 투과한 레이저 파워 및 빔모드를 측정 계측 장치를 이용하여 분석하고, 분석한 결과 값과 기 설정된 기본 데이터간의 비교를 통해 수리 작업이 필요한 광학 부품을 선별할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면,고출력 레이저 발생 장치의 고장 진단 방법은 레이저 발진 내부 레이저 다이오드 동작 상태 측정 전류(A) 변화 시 레이저 파워 변화율, 온도 변화 시 레이저 픽업 파워 변화율 및 전압 변화 시 레이저 파워 변화율과 레이저 다이오드 스펙과의 차이점을 기반으로 고장을 진단할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 고출력 레이저 발생 장치의 고장 진단 방법은 레이저 전력 공급기 구동 시 레이저 발진기와의 통신이 정상적으로 작동하고 있는지, 매뉴얼 전환 시 알람 발생 여부 및 광학 부품에 대한 온도 제어, 레이저 다이오드 온도 제어 및 칠러 구동 상태를 확인하여 레이저 전력 공급기의 고장 여부를 진단할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 광학 부품의 경우 사용 재질에 따라 발생되는 고장 원인이 다양하며, 기본적으로 열화에 기인한 표면 손상 정도에 따라 레이저 빔 파워 출력 저하 원인을 예측하며, 광학 부품의 수리 또는 교환할 것인지에 대해 판단함으로써, 레이저 발생기의 운용 관리 측면에서 수리 시간 단축 및 원가 절감 효과를 가진다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 레이저 발진기 내부에 사용되는 광학 부품 및 레이저 다이오드 개발을 병행할 수 있어 원활한 부품 공급과 원가 절감 효과가 수반되며 기술적인 측면에서도 여러 가지 문제점들에 대한 성능 보안 제품을 설계 및 제작할 수 있는 기반을 갖출 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 고장 발생 시 원인 규면에 많은 어려움으로 인하여 수리 공정에 많은 시간과 신뢰성 향상에 어려움이 있었지만, 본 발명의 고장 진단 장치를 통해 엔지니어 기술 향상에 도움이 되며, 정밀한 수리 진단을 통해 고정 원인에 대한 사전 진단이 용이하게 되기 때문에 광학 부품의 수리 및 교환 시 수리 가능 여부, 판단 및 수리 업무에 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고장 진단 장치가 적용될 HSL(High Speed Laser)을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 HSL 레이저에서 KTP 결정 및 BBO 결정에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고장 진단 장치를 포함한 레이저 발생기 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 전류 값의 변화에 따른 레이저 발생기의 레이저 빔 파워 변화를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고출력 레이저 발생 장치의 고장 진단 장치와 레이저 발생 장치를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 발진기의 내부 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 고출력 레이저 발생 장치의 고장 진단 방법을 도시한 흐름도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고장 진단 장치가 적용될 HSL(High Speed Laser)을 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, HSL 레이저는 액츄에이터, 벤드 미러, 오실레이터, BBO 결정, KTP 결정, 필터 휠 및 익스팬더 등으로 구성될 수 있다.

도 1의 KTP 결정 및 BBO 결정의 구성에 대해 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 HSL 레이저에서 KTP 결정 및 BBO 결정에 대해 설명하기 위한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 1064nm 파장을 갖는 빔이 입력되면, KTP 결정은 1064nm 파장을 갖는 제 1 빔과 532nm 파장을 갖는 제 2 빔을 BBO 결정에 출력한다. BBO 결정은 제 1 빔과 제 2 빔이 입력됨에 따라 제 1 빔, 제 2 빔 및 355nm 파장을 갖는 제 3 빔을 출력한다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 고장 진단 장치가 포함된 레이저 발생기에 대해 도 3을 참조하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고장 진단 장치를 포함한 레이저 발생기 구성을 도시한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 발생기는 적외선 파장 발생 수단과 적외선을 자외선으로 변환하는 변경단으로 구성될 수 있다. 또한, 레이저 발생기는 고정 진단을 위해 광학 부품에 특성을 검출할 수 있는 센서, 예컨대 레이저 빔 파워을 측정하는 측정용 센서, 온도 센서, 감지 센서 등을 구비할 수 있다.

또한, 레이저 발생기는 각종 센서들을 제어하기 위한 센서 제어부, 레이저 다이오드를 냉각시킬 수 있는 냉각 장치를 더 구비할 수 있다.

상술한 바와 같은 구성을 갖는 레이저 발생기에서 전류 변화에 따라 레이저 빔 파워 변화율에 의거하여 광학 부품의 손상 여부를 진단하는 것에 대해 도 4를 참조하여 설명한다.

도 4는 전류 값의 변화에 따른 레이저 발생기의 레이저 빔 파워 변화를 도시한 그래프이다.

설명에 앞서, 광학 부품의 열화로 인하여 레이저 발진기의 이상 동작 발생이 판단될 경우 광학 부품에 대한 표면 손상 여부에 따라 레이저 빔 파워 조사 강도의 차이가 발생된다. 이 경우 빔 파워 검출기(도 3의 파워 모니터)를 통해 손상 범위에 확인이 가능하며, 레이저 다이오드에 의한 레이저 빔 파워 출력 저하 문제인지 대한 판단 근거 자료로 활용할 수 있다.

또한, 레이저 빔 파워 출력 저하 문제 발생 시 레이저 다이오드로 기인된 경우 공급되는 전류의 변화에 따라 출력광 강도 계측기 상에서 상태가 표시되며, 이는 레이저 다이오드에 인가되는 전류 값이 레이저 출력 강 변화에 어떠한 영향을 미치는가를 보여준다.

도 4에 도시된 바와 같이, 정상 상태의 레이저 다이오드의 경우 인가되는 전류 값을 상승시키면, 일정 값에 레이저 빔 파워가 상승하게 되는데, 고정인 경우 전류 값을 상승시킨다 하여도 레이저 빔 파워 값은 적은 변화 값을 보이기 때문에 전류 값 변화에 따른 레이저 빔 파워의 변화를 통해 레이저 발진기의 상태가 정상 상태인지 불량 상태인지를 알 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 레이저 빔 파워 강도 변화가 전류 값의 변화에 한정하여 설명하였지만, 레이저 다이오드 전류 값을 일정하게 유지하도록 제어한 경우 레이저 출력 광의 강도, 레이저 출력강의 스펙트럼 폭, 레이저 빔의 엠스퀘어 값 등을 기인하여 평가할 수 있다.

또한, 레이저 다이오드 온도 변환에 따라 레이저 빔 파워 값도 일정 비율로 변화되며, 변화율에 대한 데이터는 제조사마다 근소한 차이를 보이지만, 반복적인 실험을 통해 축적된 데이터를 활용하여 레이저 다이오드의 정상 동작 제품을 판단하는 근거로 활용한다. 이런 검출 방법에는 도 3에 도시된 바와 같은 레이저 발생기 내 센서, 예컨대 감지센서를 사용하며, 센서를 제어할 수 있는 센서 제어부를 이용하여 기본파 출력 데이터, 레이저 다이오드 출력 데이터, 냉각수 데이터 등을 통해 얻은 데이터를 센서 제어부에 입력하여 고장을 진단할 수 있다.

이하에서는 고출력 레이저 발생 장치의 고장 진단 장치 및 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고출력 레이저 발생 장치의 고장 진단 장치와 레이저 발생 장치를 도시한 도면이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 발진기의 내부 구성을 도시한 도면이다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 레이저 발생 장치(100)는 레이저 발생을 위한 통신 모듈, 제어기, 전원 공급기, 레이저 다이오드, 레이저 발진기 등을 포함하며, 레이저 발진기는 렌즈, 크리스탈, Nd : YAG rod, Q-switch, 다수의 미러, 발광 다이오드 등을 포함할 수 있다.

고장 진단 장치(200)는 레이저 발생 장치(100)로부터 출력되는 레이저를 수신하여 레이저 파워를 측정하는 파워 측정부, 파워 측정부에서 측정된 파워를 기반으로 고장 진단을 수행하는 진단부 및 진단에 대한 세부 데이터를 제공하는 진단 결과 제공부를 포함할 수 있다.

상술한 바와 같은 고장 진단 장치(200)가 고장을 진단하는 방법에 대해 도 7을 참조하여 상세히 설명한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 고출력 레이저 발생 장치의 고장 진단 방법을 도시한 흐름도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 고장이 진단되면, 파워 측정부에 의해 측정된 파워를 기반으로 파워 오프 상태인지를 판단한다.

파워 오프인 경우 진단부는 레이저 발생 장치(100)의 통신 모듈과의 통신을 통해 통신이 정상적으로 수행되는지를 판단한다. 통신이 정상적인 경우 진단부는 제어기의 동작 상태를 체크한 후 정상적으로 동작하는지를 판단한다.

한편, 통신이 비정상적인 경우 진단 결과 제공부는 통신 모듈의 수리를 요구하는 진단 결과를 소정의 디스플레이 장치에 디스플레이해준다.

제어기의 동작 상태가 정상인 경우, 진단 결과 제공부는 전원 공급기의 수리를 요구하는 진단 결과를 소정의 디스플레이 장치에 디스플레이해준다.

제어기의 동작 상태가 비정상인 경우, 진단 결과 제공부는 제어기의 수리를 요구하는 진단 결과를 디스플레이 장치에 디스플레이해준다.

한편, 파워 측정의 결과 기 설정된 값 이하의 저출력인 경우, 진단 결과 제공부는 레이저 다이오드의 수리를 요구하는 진단 결과를 디스플레이 장치에 디스플레이해준다.

한편, 기 설정된 시간 동안의 파워 측정 결과 불규칙한 경우 진단 결과 제공부는 레이저 발진기의 내부 구성 중 렌즈, 크리스탈, Nd : YAG rod 및 Q-switch 중 어느 하나의 수리를 요구하는 진단 결과를 디스플레이 장치에 디스플레이해준다. 구체적으로, 진단부는 Nd : YAG rod의 수리가 필요한지를 판단하고, 판단 결과 수리가 필요한 경우 진단 결과 제공부를 통해 수리를 요구하는 진단 결과를 디스플레이하고, 수리가 필요하지 않을 경우 진단부를 통해 Q-switch의 수리가 필요한지를 판단한다.

판단 결과, Q-switch의 수리가 필요한 경우 진단 결과 제공부는 Q-switch의 수리를 요구하는 진단 결과를 디스플레이하며, 그렇지 않을 경우 진단부를 통해 크리스탈의 수리가 필요한지를 판단한다.

크리스탈의 수리가 필요한 경우 진단 결과 제공부는 크리스탈의 수리를 요구하는 진단 결과를 디스플레이하며, 그렇지 않을 경우 진단부를 통해 렌즈의 수리가 필요한지를 판단한다.

렌즈의 수리가 필요한 경우 진단 결과 제공부는 렌즈의 수리를 요구하는 진단 결과를 디스플레이해주며, 그렇지 않을 경우 원인 불명의 진단 결과를 디스플레이해준다.

상기와 같은 단계들을 통해 수리가 완료됨에 따라 레이저 발생 장치(100)는 납품될 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (1)

1. 레이저 발생 장치에서 출력되는 출력 파워를 측정하는 단계와,
   상기 출력 파워의 측정 결과 파워 오프일 경우 레이저 발생 장치의 통신 모듈, 제어기 및 전원 공급기 중 어느 하나의 수리가 필요한 것으로 판단하는 단계와,
   상기 파워 측정 결과 출력 파워가 기 설정된 값 이하의 저출력인 경우 상기 레이저 발생 장치의 레이저 다이오드의 수리 또는 교체가 필요한 것으로 판단하는 단계와,
   상기 파워 측정 결과 기 설정된 시간 동안 출력 파워가 불규칙한 경우 상기 레이저 발생 장치의 Nd : YAG rod, Q-switch, 크리스탈 및 렌즈 중 적어도 하나 이상의 수리가 필요한 것으로 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 레이저 발생 장치의 고장 진단 방법.

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