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KR100982550B1 - 세차 운동을 하는 레이저 빔의 경로를 보정하기 위한 보정모듈을 갖는 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 레이저 가공방법 - Google Patents

세차 운동을 하는 레이저 빔의 경로를 보정하기 위한 보정모듈을 갖는 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 레이저 가공방법 Download PDF

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KR100982550B1
KR100982550B1 KR1020080070251A KR20080070251A KR100982550B1 KR 100982550 B1 KR100982550 B1 KR 100982550B1 KR 1020080070251 A KR1020080070251 A KR 1020080070251A KR 20080070251 A KR20080070251 A KR 20080070251A KR 100982550 B1 KR100982550 B1 KR 100982550B1
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KR
South Korea
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laser beam
path
wedge
car wash
laser
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KR1020080070251A
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노지환
이제훈
정 서
Original Assignee
한국기계연구원
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Abstract

본 발명에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 빔을 용이하게 포커싱할 수 있도록, 레이저 빔(laser beam)을 발생시키는 광원과, 상기 광원의 전방에 설치되며 상기 레이저 빔의 세차 운동을 야기하는 세차 웨지부, 및 상기 세차 웨지부의 전방에 설치된 집광 렌즈를 포함하고, 상기 집광 렌즈는 상기 레이저 빔의 진행 경로에 대하여 회동 가능하게 설치된다.
또한, 본 발명에 따른 레이저 가공 방법은 레이저 빔을 발생시키는 단계와, 세차 웨지 플레이트를 이용하여 레이저 빔의 경로를 수정하는 단계와, 레이저 빔의 경로를 측정하는 단계, 및 집광 렌즈를 레이저 빔의 경로에 대하여 회동시켜 레이저 빔의 경로를 보정하는 단계를 포함한다.
레이저 가공, 웨지, 보정, 집광 렌즈, 경사각

Description

세차 운동을 하는 레이저 빔의 경로를 보정하기 위한 보정 모듈을 갖는 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 레이저 가공 방법{LASER MACHINING APPARATUS HAVING COMPENSATION MODULE FOR LASER BEAM PRECESSIONAL MOTION AND LASER MACHINING METHOD USING THEREOF}
본 발명은 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 보정 모듈을 구비하는 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법에 관한 것이다.
레이저(laser) 가공은 레이저 빔(laser beam)을 피가공물에 집광 조사하고, 열 가공이나, 어브레이젼(abrasion) 가공 등을 행하는 것이다.
레이저 가공 방법으로 구멍을 뚫는 경우, 정밀한 포커싱 제어는 무엇보다 중요하다. 예를 들어 자동차의 인젝션 노즐의 경우 직경이 100㎛인데, 이러한 인젝션 노즐을 안정적으로 가공하기 위해서는 1㎛의 정밀도가 필요하다.
레이저 빔을 이용하여 구멍을 가공하는 경우 미소 스팟에 에너지가 집중되는 바, 미소 스팟의 지름보다 큰 구멍을 가공하기 위해서는 피가공물을 움직이거나, 레이저 빔을 세차운동 시킬 필요가 있다.
그러나 피가공물을 움직이는 경우는 피가공물의 크기가 증가하는 경우 피가공물을 정밀하게 제어하기가 어려운 문제가 있다.
따라서 레이저 빔을 세차운동 시키는 방법이 널리 알려져 있는데, 레이저 빔을 세차운동 시키기 위해서는 웨지 플레이트 등의 경사면을 갖는 부재를 설치하여야 한다.
그러나 이러한 경사부재를 이용할 경우에는 경사면의 오차로 인하여 초점이 벗어나는 문제가 발생한다. 이와 같이 레이저 빔이 정확한 위치에 조사되지 못하면 정밀한 구멍이 가공이 어려워지는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 레이저 빔의 초점을 용이하게 조절할 수 있는 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 역 테이퍼 가공이 용이한 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법을 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 빔을 용이하게 포커싱할 수 있도록, 레이저 빔(laser beam)을 발생시키는 광원과, 상기 광원의 전방에 설치되며 상기 레이저 빔의 세차 운동을 야기하는 세차 웨지부, 및 상기 세차 웨지부의 전방에 설치된 집광 렌즈를 포함하고, 상기 집광 렌즈는 상기 레이저 빔의 진행 경로에 대하여 회동 가능하게 설치된다.
상기 세차 웨지부는 적어도 하나의 경사면을 갖는 세차 웨지 플레이트를 포함할 수 있으며, 상기 세차 웨지부는 두 개의 세차 웨지 플레이트를 포함하고, 상기 세차 웨지 플레이트들은 경사면이 서로 마주하도록 배치될 수 있다.
상기 집광 렌즈와 상기 세차 웨지부 사이에는 보정 웨지 플레이트가 설치될 수 있으며, 상기 보정 웨지 플레이트는 레이저 빔의 경로에 대하여 회동 가능하게 설치될 수 있다. 또한, 상기 집광 렌즈는 원주 방향으로 회전 가능하게 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 방법은 레이저 빔을 발생시키는 단계와, 세차 웨지 플레이트를 이용하여 레이저 빔의 경로를 수정하는 단계와, 레이저 빔의 경로를 측정하는 단계, 및 집광 렌즈를 레이저 빔의 경로에 대하여 회동시켜 레이저 빔의 경로를 보정하는 단계를 포함하다.
상기 레이저 빔의 경로를 수정하는 단계는 세차 웨지 플레이트를 회전시키는 단계를 더 포함할 수 있으며, 본 레이저 가공 방법은 상기 집광 렌즈를 원주 방향으로 회전 시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 세차 웨지 플레이트와 상기 집광 렌즈는 동일한 각속도로 회전할 수 있다.
본 레이저 가공 방법은 상기 세차 웨지 플레이트와 상기 집광 렌즈 사이에 설치된 보정 웨지 플레이트를 이용하여 레이저 빔의 경로를 보정하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 보정 웨지 플레이트를 상기 레이저 빔의 경로에 대하여 회동시켜서 상기 레이저 빔의 경로를 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법은 집광 렌즈를 회동시켜서 레이저 빔의 경로를 정밀하게 보정할 수 있다. 또한, 별도의 부재를 설치하지 아니하고 집광 렌즈를 이용하여 보정함으로써 비용 절감 및 용이성을 도모할 수 있다.
또한, 보정 웨지 플레이트를 설치하여 보다 더 정밀하게 레이저 빔의 경로를 보정할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 실시예에 대해 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 도시한 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 빔(160)을 발생시키는 광원(110)과 광원(110)의 전방에 설치된 세차 웨지부(120)와 세차 웨지부(120)의 전방에 설치된 집광 렌즈(140)를 포함한다.
광원(110)은 레이저 빔(160)을 발생시키는 부재로서, 레이저 빔(160)은 펨토초(pemto second) 레이저, 피코초(pico second) 레이저를 포함하는 다양한 형태의 레이저로 이루어질 수 있다. 광원(110)에서 출사된 레이저 빔(160)은 기준 경로(L1)를 따라 직진한다. 광원은 이 밖에 레이저 빔을 가공하기에 적합하도록 조절하는 편광판 등을 더 포함할 수 있다.
도 2를 참조하여 세차 웨지부(120)에 대하여 보다 자세히 설명하면, 세차 웨지부(120)는 제1 세차 웨지 플레이트(121)와 제2 세차 웨지 플레이트(123)를 포함한다. 제1 세차 웨지 플레이트(121)는 소정의 경사각(θ1)을 갖는 경사면을 포함하며, 제2 세차 웨지 플레이트(123)도 소정의 경사각(θ2)를 갖는 경사면을 포함하는데, 경사면으로 인하여 세차 웨지 플레이트들(121, 123)로 입사한 레이저 빔(160)은 굴절되어 레이저 빔의 기준 경로에서 에서 벗어나게 된다.
한편, 세차 웨지 플레이트들(121, 123)은 회전 가능하도록 설치되는데, 기준 경로(L1)에서 벗어난 레이저 빔(160)은 세차 웨지 플레이트들(121, 123)의 회전에 따라 기준 경로를 중심으로 세차운동을 한다. 이와 같은 세차 운동을 통해서 피가공물(150)의 표면에 일정한 직경을 갖는 구멍을 가공할 수 있다.
레이저 빔(160)과 기준 경로(L1) 사이의 거리는 세차 웨지 플레이트들(121, 123)의 경사각(θ1, θ2)과 세차 웨지 플레이트들(121, 123) 사이의 거리에 따라 달라지는데, 정밀한 직경을 갖는 구멍을 가공하기 위해서는 세차 웨지 플레이트들(121, 123)의 경사각(θ1, θ2)을 정밀하게 설정하여야 한다.
그러나 세차 웨지 플레이트들(121, 123)의 경사각(θ1, θ2)은 가공 방법에 따라서 정밀하게 제어되지 못하는 문제가 있다. 이와 같이 경사각(θ1, θ2)이 설정된 범위를 벗어나게 되면 가공하고자 하는 구멍의 직경이 커지거나 작아지는 문제가 발생한다.
특히 정밀한 구멍 가공의 경우에는 경사각을 0.01°이하의 오차범위로 가공하여야 하는데, 이와 같이 작은 오차로 가공하는 것은 매우 어렵다. 따라서 세차 웨지 플레이트들(121, 123)을 이용할 경우에는 일정한 오차가 발생하게 되므로, 이러한 오차를 보정할 필요가 있다.
세차 웨지부(120)의 전방에는 회동가능하게 설치된 집광 렌즈(140)가 설치되는데, 집광 렌즈(140)는 레이저 빔(160)의 진행 경로에 대하여 회동가능하게 설치되어 레이저 빔(160)의 경로를 조절하는 보정 모듈로서 역할을 수행한다. 레이저 빔(160)의 경로를 검출하는 장치를 이용하여 레이저 빔(160)의 경로를 관찰하며, 레이저 빔(160)의 경로에 오차가 있다고 판단되면 오차에 해당되는 만큼의 회동각 (δ)으로 집광 렌즈(140)를 회동시킨다. 이에 따라 집광 렌즈(231)는 직경 방향의 중심선(L2)이 기준 경로(L1)에 수직한 방향에 대하여 경사지도록 형성될 수 있다. 이와 같이 집광 렌즈(231)를 경사지게 조절하면 레이저 빔을 원하는 위치로 용이하게 입사시킬 수 있다.
집광 렌즈(140)의 회동을 위하여 집광 렌즈(140)의 회동 각을 제어하는 엑츄에이터 등의 구동장치가 설치될 수 있다. 또한 집광 렌즈(140)는 세차 운동뿐만 아니라 회전운동도 하는데, 이에 따라 회전하면서 레이저 빔(160)의 각도를 균일하게 조절하여 정밀한 구멍을 가공할 수 있다. 이 때, 집광 렌즈(140)는 세차 웨지 플레이트(241, 243)와 동일한 각속도로 회전한다.
이와 같이 집광 렌즈(140)를 이용하여 레이저 빔(160)의 조사 위치를 조절하면 별도의 장치를 설치하지 아니하고도 용이하게 레이저 빔을 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 이용하여 역 테이퍼 가공하는 과정을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 4는 역테이퍼 가공하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, 세차 웨지부(120)의 회전에 따라 레이저 빔(160)은 경사를 가지고 피가공물(150)로 입사되는데, 레이저 빔(160)의 입사각을 유지시키면서 홀을 가능하면 피가공물에 경사를 갖는 홈을 가공할 수 있다.
또한, 세차 웨지 플레이트들(121, 123)과 집광 렌즈(140)가 회전함으로써 레이저 빔(160)도 세차 운동을 하면서 피가공물(150)로 입사되므로 자연스럽게 역 테이퍼 홀이 형성된다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 5를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 빔(260)을 발생시키는 광원(210)과 광원(210)의 전방에 설치된 세차 웨지부(240)와 세차 웨지부(240)의 전방에 설치된 보정 모듈(230)을 포함한다.
광원(210)은 레이저 빔(260)을 생성하는 발진기와 레이저 빔을 가공하는 파장판 등을 포함하는 광학계로 이루어질 수 있으며, 레이저 빔(260)은 최초 기준 경로(L1)를 따라 직진한다.
세차 웨지부(240)는 두 개의 세차 웨지 플레이트들(241, 243)을 포함하며, 각각의 세차 웨지 플레이트들(241, 243)은 서로 마주하는 면에 소정의 경사각(θ1, θ2)으로 형성된 경사면을 갖는다. 세차 웨지 플레이트들(241, 243)의 경사각(θ1, θ2)은 동일한 각도로 이루어질 수 있을 뿐만 아니라 서로 상이하게 형성될 수도 있다.
보정 모듈(230)은 보정 웨지 플레이트들(232, 234)을 포함하는데, 보정 웨지 플레이트들(232, 234)는 각각 소정의 경사각(θ3, θ4)으로 형성된 경사면을 갖는다. 제1 보정 웨지 플레이트(232)에 형성된 경사면은 세차 웨지 플레이트들(241, 243)에 형성된 경사면의 경사각(θ1, θ2)보다 작은 경사각(θ3)을 가지며, 제2 보정 웨지 플레이트(234)에 형성된 경사면도 세차 웨지 플레이트들(241, 243)에 형성된 경사면의 경사각(θ1, θ2)보다 작은 경사각(θ4)을 갖는다. 보정 웨지 플레이트들(232, 234)은 세차 웨지부(240)에서 발생한 오차를 보정하는 역할을 하는 바, 보정 웨지 플레이트들(232, 234)의 경사각(θ3, θ4)을 적절하게 형성하여 미세한 오차를 보정하여 레이저 빔(260)이 원하는 위치로 입사하도록 할 수 있다.
또한, 보정 웨지 플레이트들(232, 234)은 자체적으로 회전운동을 하며, 레이저 빔(260)의 경로에 대하여 세차운동을 하여 경사지도록 조절될 수 있다. 이에 따라 보정 웨지 플레이트들(232, 234)은 보다 용이하게 레이저 빔의 경로를 보정할 수 있다.
또한, 보정 모듈(230)은 집광 렌즈(231)를 포함하는데, 집광 렌즈(231)는 레이저의 경로에 대하여 회동가능하게 설치된다. 이에 따라 집광 렌즈(231)는 직경 방향의 중심선(L2)이 기준 경로(L1)에 수직한 방향에 대하여 경사지도록 형성될 수 있다. 이와 같이 집광 렌즈(231)를 경사지게 조절하면 레이저 빔을 원하는 위치로 용이하게 입사시킬 수 있다.
즉, 보정 웨지 플레이트들(232, 234)을 이용하여 먼저 레이저 빔(260)의 경로를 보정하고, 경로 검출 장치(미도시)를 이용하여 레이저 빔(260)의 경로에 오차가 있다고 판단되면 집광 렌즈(231)의 경사를 조절하여 레이저 빔(260)을 원하는 위치로 입사시킨다.
도 5를 참조하여 본 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 이용하여 레이저 가공 방법을 설명하면 다음과 같다.
본 실시예에 따른 레이저 가공 방법은 레이저 빔(260)을 발생시키는 단계와 세차 웨지 플레이트(241, 243)를 이용하여 레이저 빔(260)의 경로를 수정하는 단계와, 레이저 빔(260)의 경로를 측정하는 단계, 및 집광 렌즈(231)를 레이저 빔(260) 의 경로에 대하여 회동시켜서 레이저 빔(260)의 경로를 보정하는 단계를 포함한다.
레이저 빔(260)을 발생시키는 단계에서는 광원(210)을 이용하여 레이저 빔(260)을 발생시킨다. 레이저 빔(260)을 발생시키는 단계는 가공하기에 적합하도록 레이저 빔(260)을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
레이저 빔(260)의 경로를 수정하는 단계는 경사면을 갖는 세차 웨지 플레이트(241, 243)를 이용하여 세차 웨지 플레이트(241, 243)를 회전시키면서 레이저 빔(260)의 경로를 수정한다.
레이저 빔(260)의 경로를 측정하는 단계에서는 CCD 카메라, 현미경 등 그 밖의 측정 장치(미도시)를 이용하여 레이저 빔(260)의 경로를 검출하여 설정된 경로와의 오차를 확인한다.
집광 렌즈(231)를 회동시키는 단계는 측정된 오차에 따라 회동각(δ)을 계산한 후, 엑츄에이터 등을 이용하여 집광 렌즈(231)를 미세하게 회동시켜서 레이저 빔(260)의 경로를 보정한다.
또한, 집광 렌즈(231)를 원주 방향으로 회전시킬 수 있는데, 집광 렌즈(231)는 세차 웨지 플레이트(241, 243)와 동일한 각속도로 회전시킨다. 이에 따라 레이저 빔(260)은 세차 운동하는 과정에서 한번 설정된 각으로 계속 보정되므로 오차를 자동으로 보정할 수 있다.
또한, 세차 웨지 플레이트(241, 243)와 집광 렌즈(231) 사이에 보정 웨지 플레이트(232, 234)를 설치하고, 보정 웨지 플레이트(232, 234)를 이용하여 레이저 빔(260)의 경로를 더욱 보정할 수 있다. 이 때, 보정 웨지 플레이트(232, 234)도 세차 웨지 플레이트(241, 243)와 동일한 각속도로 회전한다.
뿐만 아니라, 보정 웨지 플레이트(232, 234)를 레이저 빔(260)의 경로에 대하여 회동시켜서 레이저 빔(260)의 경로에 대하여 기울어지도록 설치하여 레이저 빔(260)의 경로를 더욱 완벽하게 보정할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 도시한 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 웨지부를 도시한 절개 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 이용하여 역 테이퍼 가공하는 것을 도시한 개략적인 구성도이다.
도 4는 도 3에서 역 테이퍼 시에 레이저의 입사각을 보다 자세히 설명하기 위한 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 도시한 개략적인 구성도이다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
110: 광원 120: 세차 웨지부
121, 123: 세차 웨지 플레이트 140: 집광 렌즈
232, 234: 보정 웨지 플레이트

Claims (6)

  1. 레이저 빔(laser beam)을 발생시키는 광원;
    상기 광원의 전방에 설치되며 상기 레이저 빔의 세차운동(歲差運動; precession)을 야기하는 세차 웨지부; 및
    상기 세차 웨지부와 피가공물 사시에 설치된 보정 모듈;
    을 포함하고,
    상기 보정 모듈은 상기 세차 웨지부에 의하여 발생한 오차를 보정할 수 있도록, 상기 레이저 빔의 진행 경로에 대하여 회동(tilting) 가능하게 설치된 집광 렌즈를 포함하는 레이저 가공 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 보정 모듈은 상기 집광 렌즈와 상기 세차 웨지부 사이에 설치되며 경사면을 갖는 보정 웨지 플레이트를 포함하고, 상기 보정 웨지 플레이트는 레이저 빔의 경로에 대하여 회동(tilting) 가능하게 설치된 레이저 가공 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 집광 렌즈와 상기 세차 웨지부는 원주 방향으로 회전 가능하게 설치된 레이저 가공 장치.
  4. 레이저 빔을 발생시키는 단계;
    세차 웨지 플레이트를 이용하여 레이저 빔의 경로를 수정하는 단계;
    레이저 빔의 경로를 측정하는 단계; 및
    집광 렌즈를 레이저 빔의 경로에 대하여 회동시켜서 상기 세차 웨지 플레이트에 발생한 상기 레이저 빔의 경로 오차를 보정하는 단계;
    를 포함하는 레이저 가공 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 세차 웨지 플레이트와 상기 집광 렌즈 사이에 설치된 보정 웨지 플레이트를 이용하여 레이저 빔의 경로를 보정하는 단계를 더 포함하는 레이저 가공 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 보정 웨지 플레이트를 상기 레이저 빔의 경로에 대하여 회동시켜서 상기 레이저 빔의 경로를 보정하는 단계를 더 포함하는 레이저 가공 방법.
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