KR20230056337A

KR20230056337A - 에나멜선 탈피를 위한 레이저 가공 헤드

Info

Publication number: KR20230056337A
Application number: KR1020210140260A
Authority: KR
Inventors: 김명진; 김종식; 황인욱
Original assignee: 주식회사휴비스
Priority date: 2021-10-20
Filing date: 2021-10-20
Publication date: 2023-04-27
Also published as: KR102581115B1

Abstract

본 발명은 레이저 발진기로부터 입사되는 레이저빔을 균질 강도 분포의 사각 영역을 갖는 사각 레이저빔(pulse square laser beam)으로 성형한 후 에나멜선에 조사하여 에나멜선의 에나멜 피복을 탈피하는 에나멜선 탈피를 위한 레이저 가공 헤드에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 사각 레이저빔으로 형성하는 사각 빔스폿 중에 탈피할 강도를 갖는 사각의 중앙 영역이 균일한 강도 분포를 갖게 하며 중앙 영역이 스캔 방향을 따라 연속으로 이어지도록 사각 빔스폿을 연속 형성하여서, 사각 빔스폿의 형성 회수를 줄이면서 중복하여 탈피하는 영역을 최소화하고 탈피하는 면의 조도를 균일하게 하며 탈피 속도를 향상시킨다.

Description

에나멜선 탈피를 위한 레이저 가공 헤드{Lase processing head for stripping of enamel wire}

본 발명은 레이저 발진기로부터 입사되는 레이저빔을 균질 강도 분포의 사각 영역을 갖는 사각 레이저빔(pulse square laser beam)으로 성형한 후 에나멜선에 조사하여 에나멜선의 에나멜 피복을 탈피하는 에나멜선 탈피를 위한 레이저 가공 헤드에 관한 것이다.

도 1에 예시한 바와 같이 사각 단면 형상의 에나멜선(10)은 도선(11)의 외피에 에나멜을 균질 두께로 코팅하여 에나멜 피복(12)을 형성한 절연 도선으로서, 어떤 대상에 전기적으로 연결할 부위의 에나멜 피복(12)을 제거한 후 탈피한 부분에 노출된 도선(11)을 납땜하거나 용융하여 전기적으로 연결하는 것이 좋다.

이와 같이 사각 단면 형상을 갖는 에나멜선(10)은 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 수소연료전지 자동차 등의 친환경 자동차에 장착하는 회전기기의 권선 코일로 사용된다.

출원인은 사각 단면 형상의 에나멜선(10)을 레이저로 탈피하기 위해서 공개특허 제10-2021-0095473호에 개시한 탈피장치를 창안하였고, 실제 제품화하여 제조 공정에 사용할 수 있게 납품하였다.

그런데, 레이저 발진기에서 발진한 레이저빔을 레이저 가공 헤드를 통해 형성하는 빔스폿이 원형 형태로 형성되므로 강도 또는 에너지가 가우스 분포(Gaussian distribution)로 형성되어서 연속 형성하는 빔스폿 사이의 중첩 영역을 충분히 넓게 하여야 한다. 이에 따라, 빔스폿의 개수가 증가하고, 그만큼 탈피 소요 시간이 길어지며, 조사하는 레이지 빔의 에너지를 효율적으로 사용하지 못하고, 탈피한 표면의 조도(표면 걸치기)도 커지게 된다.

또한, 사각 단면 형상의 에나멜선(10)은 탈피할 면적이 넓은 굵기를 갖고 있어서, 에나멜선(10)에 형성하는 레이저 빔스폿을 지그재그 경로로 이동시키며 탈피하여야 하므로 탈피하는데 소용되는 시간이 길어진다. 즉, 여기서의 지그재그 경로는 레이저 빔을 순차 주사 방식(Progressive Scanning 또는 Non-Interlaced Scanning)으로 조사하여 평행한 다수의 주사선을 연속 이어지게 한 형태로 되어야 한다. 이를 위해서, 어떤 주사선에서 한 방향으로 빔스폿을 진행시킨 후 연접한 다음 주사선에서는 역방향으로 빔스폿을 진행시키는 데, 이때 연접한 주사선에 각각 형성한 빔스폿 열 사이도 충분히 중첩시켜야만 누락되는 곳 없이 탈피할 수 있으므로, 주사선 사이의 간격도 좁아져 탈피 시간이 길어지게 된다.

한편, 에나멜 피복(12)은 PAI(Polyamid-Imid), PEEK(Poly-Ether-Ether-Keton), PI(Poly-Imid, Kapton), PEI(Poly-Ester-Imid) 등을 코팅재로 사용하여 형성하는 데, 사용된 코팅재에 따라 레이저 탈피 성능의 차이가 있다. 또한, 에나멜선(10)을 회전기기의 코어에 원활하게 권선하고, 권선할 시에 마모되지 않게 하기 위해서 에나멜 피복(12)의 표면에 윤활층을 형성하거나 또는 윤활 기능의 성분을 추가된 코팅재를 사용하여 표면 윤활층을 갖게 한다. 이러한 윤활층은 레이저 탈피 성능에 영향을 준다.

KR

10-2021-0095473

A 2021.08.02.

따라서, 본 발명의 목적은 에나멜선의 에나멜 피복을 균질하게 탈피하며 탈피 소요 시간을 단축하고 효율적으로 탈피할 수 있으며, 에나멜 피복의 성분 차이에도 불구하고 탈피 성능을 발휘할 수 있게 하는 에나멜선 탈피를 위한 레이저 가공 헤드를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 레이저빔을 에나멜선(10)에 집속하여 에나멜선(10)의 에나멜 피복(12)을 탈피하기 위한 레이저 가공 헤드에 있어서, 레이저 발진기에서 발진한 레이저빔이 입사하는 입사부(110); 입사한 레이저빔을 중심부에 사각의 균질 강도 분포 영역을 갖는 사각 레이저빔(square laser beam)으로 성형하는 빔 성형부(120); 성형된 사각 레이저빔을 안내하기 위한 광학적 안내 요소(130); 안내된 사각 레이저빔을 에나멜선(10)에 집속하여 균질 강도 분포 영역이 투영되는 중앙 영역(21)이 에나멜 피복을 탈피 가능한 강도를 갖는 사각 빔스폿(20)을 형성하고, 사각 빔스폿(20)을 스캔하여 중앙 영역(21)이 연속으로 이어지며 형성되게 하는 출사부(140); 를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 출사부(140)는 중앙 영역(21)이 연속 이어지게 형성한 빔스폿 열을 평행하게 연속 형성하되, 인접한 빔스폿 열 사이에도 사각 빔스폿(20)의 중앙 영역(21) 끼리 이어지게 형성한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 출사부(140)에 의해 형성되는 사각 빔스폿(20)은 중앙 영역(21) 끼리 연접하게 형성한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 출사부(140)에 의해 형성되는 사각 빔스폿(20)은 가장자리 영역(22)을 에나멜 피복를 탈피할 강도 미만의 강도를 갖게 형성되고, 중앙 영역(21)의 굽어진 꼭지점 부분의 곡률 반지름이 R일 시에,

이하의 폭만큼 중앙 영역(21)끼리 부분 중첩되게 형성한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 출사부(140)는 정사각형 또는 직사각형의 사각 빔스폿(20)을 형성한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 입사부(110)는 fiber 레이저 발진기로부터 fiber 레이저빔을 입사하기 위한 제1 입사부(110-1)와 CO2 레이저 발진기로부터 CO2 레이저빔을 입사하기 위한 제2 입사부(110-2)로 구성되고, 상기 빔 성형부(120)는 fiber 레이저빔을 균질 강도 분포를 갖는 사각 레이저빔으로 형성하는 제1 빔 성형부(120-1)와, CO2 레이저빔을 균질 강도 분포를 갖는 사각 레이저빔으로 형성하는 제2 빔 성형부(120-2)로 구성되며, 상기 안내 요소(130)는 사각 레이저빔으로 형성한 fiber 레이저빔 및 CO2 레이저빔을 동일 광축을 갖게 결합하여 상기 출사부(140)로 안내하여, 중첩된 빔스폿(20)을 형성되게 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 안내 요소(130)는 fiber 레이저빔 및 CO2 레이저빔 중에 어느 하나의 레이저빔의 사이즈를 조절한 후 다른 하나의 레이저빔에 동일 광축을 갖도록 결합하게 하는 빔경 조절장치(133)를 구비한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 광학적으로 연결된 상기 입사부(110), 빔 성형부(120), 안내 요소(130) 및 출사부(140)를 한 세트로 하는 광학계를 복수 개 구비하여, 복수의 레이저 발진기(1)에서 각각 발진한 동일 레이저빔을 각각 분담받아 광학계별로 입사받고, 광학계별로 형성하는 빔스폿(20)이 스캔 방향과 직교하는 방향으로 연접 또는 부분 중첩하여 연속 배열되도록 광학계별 출사부(140)이 정렬되어 있으며, 연속 배열된 빔스폿(20)이 동시에 스캔되도록 광학계별 출사부(140)를 연계시킨다.

본 발명은 탈피 가능한 균질 강도의 분포의 중앙 영역을 갖는 사각 빔스폿을 연속 이어지게 형성하여, 각각 사각 빔스폿으로 탈피할 면적을 최대한 크게 할 수 있고, 레이저 빔의 파워를 효율적으로 사용하면서 균일하게 탈피하고, 탈피 속도를 높일 수 있는 장점을 갖는다.

본 발명은 fiber 레이저빔과 CO2 레이저빔에 의한 빔스폿을 중첩시켜 탈피하게 함으로써, 에나멜 피복이 상이한 다양한 종류의 에나멜선을 효과적으로 탈피할 수 있고, 윤활층이 형성되어 있더라도 윤활층을 제거하며 완전 탈피할 수 있다.

도 1은 에나멜선(10)의 사시도.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 레이저 가공 헤드(100)의 구성도.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 레이저 가공 헤드(100)에 의해 형성되는 사각 빔스폿(20)을 도시한 도면.
도 4는 변형 실시 예에 따라 중앙 영역(21)을 부분 중첩시키도록 형성한 사각 빔스폿(20)을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 레이저 가공 헤드(100)의 구성도.
도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 레이저 가공 헤드(100)의 구성도.
도 7은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 레이저 가공 헤드(100)에 의해 형성되는 사각 빔스폿(20)을 도시한 도면.

이하, 본 발명의 실시 예들에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 구체적이고 다양한 예시들을 보여주며 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 범위 내에서 다양한 변경이나 수정을 통해 실시될 수 있음도 분명하므로, 설명하는 실시 예들에 한정되지는 않는다. 그리고, 본 발명의 실시예들은 잘 알려진 부품, 회로, 기능, 방법, 전형적인 상세한 내용에 대해서는 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 추가하여 실시할 수 있으므로, 자세히 기술하지 않기로 한다.

도 2에 도시한 구성도를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 레이저 가공 헤드(100)는 레이저 발진기(1)에서 발진하여 광섬유(1a)를 통해 전송되는 레이저빔이 입사하는 입사부(110)와, 입사부(110)를 통해 입사한 레이저빔을 사각 레이저빔(square laser beam)으로 성형하는 빔 성형부(120)와, 빔 성형부(120)에 의해 성형된 사각 레이저빔을 출사부(140)를 향해 안내하는 안내 요소(130)와, 안내 요소(130)에 의해 안내되는 사각 레이저빔을 에나멜선(10)에 집속하여 사각 빔스폿(20)을 형성하면서 에나멜선(10) 중에 탈피할 면을 따라 스캔하여 사각 빔스폿(20)을 연속 형성되게 하는 출사부(140)를 포함한다.

상기 입사부(110)는 광섬유(1a)에 연결되어 펄스 레이저빔이 입사되는 광 커넥터(111)와, 광 커넥터(111)를 통해 입사되는 레이저빔을 평행광으로 변환하는 콜리메이션 렌즈(112)를 포함한다. 이때의 콜리메이션 렌즈(112)는 상기 빔 성형부(120)를 향해 시준한다.

여기서, 레이저 발진기(1)는 에나멜 피복(12)의 윤활층을 제거할 수 있는 순간 파워의 피크를 갖는 펄스 fiber 레이저빔을 발진하는 것이 좋으며, 예를 들어 1030-1070nm 범위의 레이저빔을 발진하는 것일 수 있다.

잘 알려진 바와 같이 레이저 발진기(1)에서 발진한 펄스 fiber 레이저빔이 광 섬유(1a)를 통해 상기 광 커넥터(111)에 입사될 시에 상기 콜리메이션 렌즈(112)를 향해 확산되고, 상기 콜리메이션 렌즈(112)에 의해 평행광으로 변환된다. 이때 상기 콜리메이션 렌즈(112)를 통과하며 형성되는 레이저빔은 소정의 빔경을 갖는 원형 단면 형성이고 가우시안 분포(Gaussian distribution)의 강도(또는 에너지, 파워)를 갖는다.

상기 빔 성형부(120)는 상기 콜리메이션 렌즈(112)에 의해 시준되는 가우시안 분포의 강도 프로파일을 갖는 레이저빔을 탑-햇 분포(top-hat distribution)의 균질 강도를 갖는 사각 레이저빔으로 변환한다.

즉, 상기 빔 성형부(120)에 의해 성형되는 레이저빔은 사각 단면 형상이면서 가장자리 부분을 제외한 중앙 부분을 대체로 균일한 강도(파워 또는 에너지)의 분포를 갖는다. 이때 성형되어 얻는 사각 레이저빔의 가장자리 부분의 강도 분포는 상기 빔 성형부(120)를 구성하는 광학계에 따라 폭의 차이가 있을 수 있으나, 외곽으로 갈수록 점차 강도가 낮아지는 분포를 갖게 된다.

이와 같이 사각 레이저빔을 성형하는 상기 빔 성형부(120)는 예를 들어 하나 이상의 회전 광학 요소(예컨대, 마이크로렌즈를 격자 형태로 배치한 렌즈)를 포함하는 광학계, 또는 복수의 실린더리컬 렌즈(cylindrical lens)를 포함하는 광학계로 구성할 수 있으며, 예시적으로 EKSMA Optics에서 시판하는 Top Hat Beam Shaping Lens FBS2 또는 FBSL로 선택될 수 있다. 이들 예는 제한적인 것은 아니며, 적절한 성형 성능을 갖는 광학계로 구성할 수 있다는 점은 통상의 기술자에게 잘 알려저 있으므로, 상세한 설명은 생략한다.

상기 안내 요소(130)는 상기 성형부(120)에 의해 형성된 사각 레이저빔을 상기 출사부(130)를 향해 진행하도록 안내하는 광학적 요소이다.

도 2에 도시한 제1 실시 예에서 상기 안내 요소(130)는 상기 빔 성형부(130)에 의해 형성된 사각 레이저빔을 반사시키는 미러로 구성되어, 진행 방향을 45° 변경하여 상기 출사부(130)에서 스캔하며 출사할 수 있게 하였으나, 이러한 실시 예로 제한하는 것은 아니며, 빔 성형부(120)의 출사 방향과 출사부(140)의 입사 방향 사이의 차이에 따라 변경할 수 있고, 또는 사각 레이저빔의 단면 사이즈를 조절하며 안내하는 광학 요소를 포함할 수 있다는 점은 통상의 기술자라면 잘 알 것이다.

상기 출사부(140)는 상기 안내 요소(130)에 의해 안내되는 사각 레이저빔을 탈피 대상인 에나멜선(10)을 향해 집속하여 사각 빔스폿(20)을 형성하고, 형성하는 사각 빔스폿(20)이 탈피할 면을 따라 스캔하도록 조사 방향을 변경하며, 이를 위해서 사각 레이저빔의 조사 방향을 변경하는 갈바노 미러(Galvano-mirror, 141)와, 사각 레이저빔으로 형성되는 사각 빔스폿(20)의 사이즈를 결정하는 집속 렌즈(142)를 포함한다. 여기서, 상기 집속 렌즈(142)는 사각 레이저빔의 초점 거리를 조절하기 위해서 사각 레이저빔의 광축 방향을 따라 이동시키는 장치를 포함하여, 빔스폿(20)의 사이즈를 조절하게 할 수도 있다.

도 2에는 도시하지 아니하였지만, 갈바노 미러(141)를 제어하여 조사 방향을 조절하고, 상기 집속 렌즈(142)를 제어하여 초점 거리를 조절하는 컨트롤러(미도시)를 포함한다. 이러한 컨트롤러는 알려진 바와 같이 레이저 발진기(1)의 동작과 연계하여 레이저 가공 헤드(1)를 제어하도록 구성할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 갈바노 미러(141)는 레이저 발진기(1)에서 설정된 펄스 반복률(pulse repetition rate)에 따라 반복하여 형성되는 사각 빔스폿(20)이 스캔 방향을 따라 연속하여 형성되게 하되, 인접한 사각 빔스폿(20)끼리 부분 중첩하여 연속 형성되도록 제어된다. 이를 위해서, 펄스 반복률(pulse repetition rate)에 따라 결정되는 펄스 간의 시간차에 연계하여 갈바노 미러(141)에 의한 스캔 속도를 제어한다.

도 3은 상기 출사부(140)에 의해서 에나멜선(10)에 형성되는 사각 빔스폿(20)을 도시한 도면이다.

사각 빔스폿(20)은 상기 빔 성형부(120)에 의해서 성형된 균질 강도 분포를 갖는 사각 레이저빔으로 형성되므로, 탑-햇 분포(top-hat distribution)의 균질 강도를 갖는 사각 형태의 중앙 영역(21)과, 중앙 영역(21)에 비해 낮은 강도로서 외곽으로 갈수록 점차 낮은 강도의 분포를 갖는 가장자리 영역(22)으로 이루어진다.

예시적으로 사각 빔스폿(20)은 정사각형으로 형성되는 것으로 도시하였으나, 직사각형으로 형성되게 할 수도 있으며, 이러한 형상은 상기 빔 성형부(120)로 결정될 수 있다. 물론, 사각 빔스폿(20)의 형상을 정사각형 또는 직사각형으로 언급하고 있지만, 상기 빔 성형부(120)의 성형 성능 한계로 인해서 꼭지점 영역이 각지지 아니하고 양 변을 잇는 곡선 형태로 형성된다.

이러한 사각 빔스폿(20)의 사이즈는 상기 집속 렌즈(142)로 초점 거리를 조절하여 결정되므로, 중앙 영역(21)의 강도가 에나멜 피복(12)을 제거하여 탈피할 수 있는 강도를 갖게 하면서 가능하면 중앙 영역(21)의 면적을 최대한으로 키울수 있는 사각 빔스폿(20)이 형성되도록 사각 빔스폿(20)의 사이즈를 상기 집속 렌즈(142)로 조절한다. 즉, 중앙 영역(21)은 에나멜 피복(12)을 제거하여 탈피할 수 있는 강도 중에 최소값으로 하여서, 가장자리 영역(22)의 강도는 에나멜 피복을 탈피할 강도 미만의 강도를 갖게 함으로써, 균질한 강도에 의해 균질하게 탈피할 수 있는 중앙 영역(21)의 면적을 최대한 크게 할 수 있다.

그리고, 도 3a에 도시한 바와 같이 스캔 방향(D)을 연속 형성하는 사각 빔스폿(20)의 중앙 영역(21) 끼리 인접하도록 사각 빔스폿(20)의 형성 간격을 조절한다. 다.

또한, 도 3b에 도시한 바와 같이 1회 스캔으로 탈피하는 면적보다 큰 면적으로 탈피하기 위해서, 사각 빔스폿(20)을 지그재그 경로(L)를 따라 연속하여 스캔할 수 있다. 이때, 다수 열의 빔스폿(20)이 형성되는 데, 인접한 열의 빔스폿(20)도 중앙 영역(21)끼리 인접하도록 상기 갈바노 미러(141)를 제어할 수 있다.

여기서 상기한 지그재그 경로(L)는 상기 갈바노 미러(141)를 제어하여 레이저 빔을 순차 주사 방식(Progressive Scanning 또는 Non-Interlaced Scanning)으로 주사하게 하여 평행한 다수의 주사선을 연속 이어지게 한 경로로 형성되게 함으로써, 구형파(Square Wave) 형태로 형성되게 하며, 이를 위해서, 어떤 주사선에서 한 방향으로 빔스폿을 진행시킨 후 연접한 다음 주사선에서는 역방향으로 빔스폿을 진행시킨다. 이에 따라, 다수의 빔스폿 열이 평행하게 연속 형성되게 한다.

그런데, 중앙 영역(21)을 정확하게 연접시키기 어려워 간극이 생길 수 있고, 또한, 중앙 영역(21)의 테두리 측 강도가 상대적으로 낮은 경우도 있다.

특히, 균질 강도 분포를 갖는 중앙 영역(21)이 사각형으로 형성되게 하는 것이 좋으나 상기 빔 성형부(120)의 성능 한계에 의해서 꼭지점 부분이 각지지 아니하고 소정의 곡률로 둥글게 형성된다.

이에 따라, 사각 빔스폿(20)의 중앙 영역(21)으로 스캔하려는 영역 중에 중앙 영역(21)으로 스캔되지 아니하고, 가장자리 영역(22)으로만 스캔되는 영역이 부분적으로 발생할 수 있다.

이와 같이 가장자리 영역(22)으만 조사되는 영역은 적어도 2회 이상 조사되므로 탈피될 가능성이 있으나, 보다 확실하게 탈피하는 것이 좋다.

따라서, 도 4에 도시한 바와 같이, 사각 빔스폿(20)을 스캔 방향을 따라 간격을 두고 연속 형성하는 방식의 변형 실시 예로서, 중앙 영역(21)끼리 부분 중첩되도록 사각 빔스폿(20)을 형성할 수 있다.

먼저, 도 4a에 예시한 바와 같이 사각 빔스폿(20) 중에 중앙 영역(21)의 꼭지점 부분은 소정의 곡률 반지름(R)을 갖는 곡선으로 경계선을 형성한다. 물론, 중앙 영역(21)의 꼭지점 부분에서 일정한 곡률로 굽어지지 아니하므로, 둥글게 형성된 부분의 폭으로 이해되는 점은 자명하다고 할 수 있다.

그리고, 중앙 영역(21)의 부분 중첩하는 부분은 가능하면 좁게 하는 것이 효율적이므로, 가장자리 영역(22)의 경계를 점선으로 표시하여 중앙 영역(21)을 잘 보이게 도시한 도 4b에 예시한 바와 같이 지그재그 경로를 형성하여 4각 배치로 인접한 사각 빔스폿(20)의 중앙 영역(21) 사이에 빈틈이 없게 할 정도로 하면 좋다. 즉, 인접한 중앙 영역(21)은 가장자리 중에

의 폭을 갖는 영역만 상호 중첩되게 한다. 여기서,

의 값은 인접한 중앙 영역(21)의 꼭지점 부분에서 곡률 R을 갖는 곡선의 중간점을 일치시켰을 시에 중첩되는 폭을 표현한 수식으로서 통상의 기술자라면 쉽게 얻을 있으므로 얻는 과정의 상세한 설명은 생략한다.

한편, 중첩시키는 폭을

미만으로 하여 틈새가 생기더라도 그 틈새를 빔스폿(20)의 가장자리 영역(22)으로 중복하여 조사하고, 중앙 영역(21)으로 가열된 열의 영향도 받게 되어 탈피될 수도 있다. 이에 따라, 중첩시키는 폭의 크기는 가장자리 영역(22)의 강도에 따라

미만으로 조절할 수도 있다.

이와 같이 에나멜 피복(22)을 탈피할 강도를 균질하게 갖는 중앙 영역(21)을 최대한 크게 형성한 사각 빔스폿(20)을 스캔 방향을 따라 간격을 두고 연속 형성함으로써, 간격을 두고 형성하는 빔스폿(20)의 갯수는 줄이면서, 탈피할 수 있는 면적을 최대한 넓게 할 수 있고, 탈피 속도도 빠르게 할 수 있다.

한편, 레이저 발진기(1)는 일정한 펄스 반복률로 펄스 레이저빔을 발진하는 것으로 설명하였으나, 버스트 펄스 레이저빔을 발진하는 것일 수도 있다.

버스트 펄스 레이저빔은 일정한 주기로 반복하는 펄스 레이저빔의 집합체로서, 버스트 펄스의 반복률보다 매우 작은 버스트 펄스 내의 반복률로 발진하여 생성된다.

이 경우에는 버스트 벌스 별로 사각 빔스폿(20)을 형성하도록 버스트 펄스의 반복률에 따라 스캔 속도를 맞춘다.

도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 레이저 가공 헤드(100)의 구성도이다.

본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 입사부(110)는 서로 다른 파장의 레이저빔을 개별적으로 입사하도록 2개로 구성되어 제1 입사부(110-1)와 제2 입사부(110-2)로 구분된다.

또한, 빔 성형부(120)도 2개로 구성되어 제1 입사부(110-1)와 광학적으로 연결되는 제1 빔 성형부(120-1)와, 제2 입사부(110-2)에 광학적으로 연결되는 제2 빔 성형부(120-2)로 구분된다. 이에 따라, 제1 빔 성형부(120-1)은 상기 제1 입사부(110-1)로 입사되는 레이저빔을 균질 강도 분포를 갖는 사각 레이저빔으로 성형하고, 제2 빔 성형부(120-2)는 상기 제2 입사부(110-2)로 입사되는 레이저빔을 균질 강도 분포를 갖는 사각 레이저빔으로 성형한다.

그리고, 안내 요소(130)는 상기 제1 빔 성형부(120-1)에 의해 성형되어 얻는 사각 레이저빔과 상기 제2 빔 성형부(120-2)에 의해 성형되어 얻는 사각 레이저빔을 동일 광축을 갖도록 결합한 후 출사부(140)를 향해 안내하여서, 출사부(140)에서 에나멜선(10)에 중첩된 빔스폿(20)을 형성하게 한다.

구체적인 실시 예로서, 상기 안내 요소(130)는 상기 제1 빔 성형부(120-1)로부터 입사되는 사각 레이저빔을 상기 출사부(140)에 입사되도록 선택적으로 반사시키고 상기 제2 빔 성형부(120-2)에 의한 사각 레이저빔을 선택적으로 투과시켜 상기 출사부(140)에 입사되게 하는 제1 미러(131)와, 상기 제2 빔 성형부(120-2)로부터 입사되는 사각 레이저빔을 제1 미러(131)를 향해 반사시켜 제1 미러(131)를 투과하되 제1 미러(131)에 의해 반사되는 사각 레이저빔과 동일 광축을 갖도록 위치 결정되어 동일 광축으로 상기 출사부(140)에 입사되게 하는 제2 미러(132)와, 제1 미러(131)와 제2 미러(132)의 사이에 배치되어서 제2 미러(132)에 반사되어 제1 미러(131)로 향하는 사각 레이저빔의 사이즈를 조절할 수 있게 한 빔경 조절장치(133)를 포함한다.

여기서, 상기 빔경 조절장치(133)는 동일 광축을 갖게 하여 동일 경로로 전송되게 할 레이저빔 중에 어느 하나의 레이저빔의 사이즈를 조절하여 다른 하나의 레이저빔의 사이즈에 맞춤으로써, 형성하는 빔스폿(20)도 동일하게 하며 중첩되게 한다. 물론, 중앙 영역끼리 중첩되게 하는 것이 좋다.

구체적인 실시 예로서, 상기 제1 입사부(110-1)는 fiber 레이저 발진기(1-1)에 광섬유로 연결하여 fiber 레이저빔을 입사시키고, 상기 제2 입사부(110-2)는 CO2 레이저 발진기(1-2)에 광섬유로 연결하여 CO2 레이저빔을 입사시킨다. 예시적으로서, fiber 레이저빔은 1030-1070nm 범위의 파장을 갖는 레이저빔일 수 있고, CO2 레이저빔은 10640nm의 파장을 갖는 레이저빔일 수 있으며, 각각의 레이저빔은 상기 제1 빔 성형부(120-1) 및 제2 빔 성형부(120-2)에 의해 탑햇(top-hat) 강도 분포를 갖는 사각 레이저빔으로 성형한 후 상기 안내 요소(130)에 의해서 결합하여 동일한 형태로 동일 위치에 빔스폿(20)을 형성할 수 있다.

에나멜 피복(12)은 PAI(Polyamid-Imid), PEEK(Poly-Ether-Ether-Keton), PI(Poly-Imid, Kapton), PEI(Poly-Ester-Imid) 등의 다양한 코팅재를 사용하여 바니시코팅 및 건조과정으로 형성한다. 예를 들어, 국내 및 중국에서는 주로 PAI를 사용하고, 유럽에서는 주로 PEEK를 사용한다. 그리고, 에나멜선(10)은 에나멜 피복(12)의 차이에 따라 PVF, UEW, PEW, AIW, EIW 등으로 분류되어서, 특성에 맞는 용도로 사용되고 있다. 또한, 에나멜 피복(12)에 윤화층을 형성한 에나멜선(10)도 사용된다.

그런데, fiber 레이저빔과 CO2 레이저빔은 제거할 대상의 성분에 따라 제거 성능의 차이가 있으므로, fiber 레이저빔만으로 에나멜 피복(12)으로 제거한다면, 에나멜 피복(12)으로 사용된 코팅재의 종류에 따라 완전 제거하는 데 소모하는 에너지의 차이가 있고, 코팅재 성분에 따라 제거하기 어려운 경우가 있다.

이에, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 레이저 가공 헤드(100)는 fiber 레이저빔으로 형성하는 사각 빔스폿에 CO2 레이저빔에 의한 사각 빔스폿을 추가 형성함으로써, 탈피하려는 에나멜선(10)의 에나멜 피복(12)이 어떤 코팅재로 형성한 것이더라도 효과적이면서 효율적으로 탈피할 수 있다.

도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 레이저 가공 헤드(100)의 구성도이다.

도 7은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 레이저 가공 헤드(100)에 의해 형성되는 사각 빔스폿(20)을 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 광학적으로 연결된 상기 입사부(110), 빔 성형부(120), 안내 요소(130) 및 출사부(140)를 한 세트로 하는 빔스폿 형성 광학계를 복수 개 구비하여서, 동일 레이저빔을 발진하는 복수의 레이저 발진기(1)에서 개별적으로 전송하는 각각 빔스폿 형성 광학계로 분담하며 입사받게 할 수 있다.

여기서, 각각의 빔스폿 형성 광학계에 포함된 출사부(140)는 에나멜선(10)에 개별적으로 사각 빔스폿(20)을 동시 형성하되, 도 7에 도시한 바와 같이 사각 빔스폿(20)을 스캔 방향(D1, D2)과 직교하는 방향으로 연접 또는 부분 중첩하며 연속 배열되도록 위치 정렬되어 있다.

그리고, 각각의 빔스폿 형성 광학계에 구비된 출사부(140)는 형성한 사각 빔스폿(20)이 스캔 방향(D1, D2)을 따라 동시에 스캔하도록 상호 연계하여 동작하게 함으로써, 도 7에 도시한 바와 같이 일렬로 배열된 복수의 사각 빔스폿(20)으로 동시에 탈피할 수 있다.

이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

1 : 레이저 발진기 1a : 광섬유
10 : 에나멜선 11 : 도선 12 : 에나멜 피복
20 : 사각 빔스폿 21 : 중앙 영역 22 : 가장자리 영역
100 : 레이저 가공 헤드
110 : 입사부
111 : 광 커넥터 112 : 콜리메이션 렌즈
120 : 빔 성형부
130 : 안내 요소
131 : 제1 미러 132 : 제2 미러 133 : 빔경 조절장치
140 : 출사부
141 : 갈바노 미러(Galvano-mirror) 142 : 집속 렌즈

Claims

레이저빔을 에나멜선(10)에 집속하여 에나멜선(10)의 에나멜 피복(12)을 탈피하기 위한 레이저 가공 헤드에 있어서,
레이저 발진기에서 발진한 레이저빔이 입사하는 입사부(110);
입사한 레이저빔을 중심부에 사각의 균질 강도 분포 영역을 갖는 사각 레이저빔(square laser beam)으로 성형하는 빔 성형부(120);
성형된 사각 레이저빔을 안내하기 위한 광학적 안내 요소(130);
안내된 사각 레이저빔을 에나멜선(10)에 집속하여 균질 강도 분포 영역이 투영되는 중앙 영역(21)이 에나멜 피복을 탈피 가능한 강도를 갖는 사각 빔스폿(20)을 형성하고, 사각 빔스폿(20)을 스캔하여 중앙 영역(21)이 연속으로 이어지며 형성되게 하는 출사부(140);
레이저 가공 헤드.
제 1항에 있어서,
상기 출사부(140)는
중앙 영역(21)이 연속 이어지게 형성한 빔스폿 열을 평행하게 연속 형성하되, 인접한 빔스폿 열 사이에도 사각 빔스폿(20)의 중앙 영역(21) 끼리 이어지게 형성하는
레이저 가공 헤드.
제 1항에 있어서,
상기 출사부(140)에 의해 형성되는 사각 빔스폿(20)은
중앙 영역(21) 끼리 연접하게 형성하는
레이저 가공 헤드.
제 1항에 있어서,
상기 출사부(140)에 의해 형성되는 사각 빔스폿(20)은
가장자리 영역(22)을 에나멜 피복를 탈피할 강도 미만의 강도를 갖게 형성되고, 중앙 영역(21)의 굽어진 꼭지점 부분의 곡률 반지름이 R일 시에,
이하의 폭만큼 중앙 영역(21)끼리 부분 중첩되게 형성하는
레이저 가공 헤드.
제 1항에 있어서,
상기 출사부(140)는
정사각형 또는 직사각형의 사각 빔스폿(20)을 형성하는
레이저 가공 헤드.
제 1항에 있어서,
상기 입사부(110)는 fiber 레이저 발진기로부터 fiber 레이저빔을 입사하기 위한 제1 입사부(110-1)와 CO2 레이저 발진기로부터 CO2 레이저빔을 입사하기 위한 제2 입사부(110-2)로 구성되고,
상기 빔 성형부(120)는 fiber 레이저빔을 균질 강도 분포를 갖는 사각 레이저빔으로 형성하는 제1 빔 성형부(120-1)와, CO2 레이저빔을 균질 강도 분포를 갖는 사각 레이저빔으로 형성하는 제2 빔 성형부(120-2)로 구성되며,
상기 안내 요소(130)는 사각 레이저빔으로 형성한 fiber 레이저빔 및 CO2 레이저빔을 동일 광축을 갖게 결합하여 상기 출사부(140)로 안내하여, 중첩된 빔스폿(20)을 형성되게 한
레이저 가공 헤드.
제 6항에 있어서
상기 안내 요소(130)는 fiber 레이저빔 및 CO2 레이저빔 중에 어느 하나의 레이저빔의 사이즈를 조절한 후 다른 하나의 레이저빔에 동일 광축을 갖도록 결합하게 하는 빔경 조절장치(133)를 구비하는
레이저 가공 헤드.
제 1항에 있어서
광학적으로 연결된 상기 입사부(110), 빔 성형부(120), 안내 요소(130) 및 출사부(140)를 한 세트로 하는 광학계를 복수 개 구비하여, 복수의 레이저 발진기(1)에서 각각 발진한 동일 레이저빔을 각각 분담받아 광학계별로 입사받고, 광학계별로 형성하는 빔스폿(20)이 스캔 방향과 직교하는 방향으로 연접 또는 부분 중첩하여 연속 배열되도록 광학계별 출사부(140)이 정렬되어 있으며, 연속 배열된 빔스폿(20)이 동시에 스캔되도록 광학계별 출사부(140)를 연계시킨
레이저 가공 헤드.