KR100194733B1 - 열팽창 오차의 보상 구조를 갖는 미소 절삭 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전 물질을 액튜에이터로 하여 공구 탑재대를 이송하는 미소 절삭 장치에서 공구 탑재대와 센서 지지대의 열팽창에 따른 측정 오차를 자동으로 보상할 수 있는 구조를 갖는 미소 절삭 장치에 관한 것이다. 본 발명은 고정 지지대의 길이 방향으로 이동가능하게 설치되며 그 선단에는 미소 절삭 공구가 탑재된 공구 탑재대, 상기 고정 지지대에 고정적으로 설치된 센서 지지대에 매달려서 상기 공구 탑재대의 하단 사이의 거리를 측정하는 변위 센서를 구비하고 상기 변위 센서에서 측정된 거리량에 의거하여 공구 탑재대의 이동량을 제어하는 미소 절삭 장치에 있어서, 상기 미소 절삭 공구와 공구 탑재대 및 센서 지지대를 열팽창 계수가 동일한 재질로 형성함과 동시에 상기 미소 절삭 공구와 공구 탑재대 하단 사이의 거리와 상기 센서 지지대의 길이 방향으로의 중심 거리를 실질적으로 동일하게 한 것을 특징으로 한다.

Description

열팽창 오차의 보상 구조를 갖는 미소 절삭 장치

본 발명은 압전 물질을 이용한 미소 절삭 장치에 관한 것으로, 특히 압전 물질을 액튜에이터로 하여 공구 탑재대를 이송하는 미소 절삭 장치에서 공구 탑재대와 센서 지지대의 열팽창에 따른 측정 오차를 자동으로 보상할 수 있는 구조를 갖는 미소 절삭 장치에 관한 것이다.

반도체, 광통신 시스템, 우주 항공 분야의 발전은 초정밀 가공기술을 기초로 하고 있으며, 전자산업의 고도화로 초정밀 가공 기술에 대한 수요는 날로 증가하고 있다. 초정밀 가공 기술은 그 시대의 기술로서 달성할 수 있는 최고 정밀도의 가공기술을 말하며 현재의 시점에서 이를 수치적으로 말하면 치수 및 형상 정밀도 0.1∼0.01(㎛), 표면 거칠기 0.02∼0.006(㎛ Rmax) 또는 그 이하이다. 현재의 초정밀 가공기술의 발전 추이를 볼 때, 21세기 초에는 1(㎚)의 정밀도가 실현될 것으로 예상되고 이것이 최종목표라고 여겨진다. 이는 고체 길이의 측정 분해능의 한계가 원자간 거리이거나 약 0.3(㎚)의 원자격자 거리이고, 1(㎚)는 2∼3개의 원자격자 거리이기 때문이다.

초정밀 가공법중 단결정 다이아몬드 공구를 사용한 연질금속의 초정밀절삭, 이른바 다이아몬드 터닝 기술(Diamond Turning Technique)은 1960년대 중반경에 미국에서 연구개발이 진행되어 현재 알루미늄 자기디스크 회전기판, 회전 다면경, 레이저광용 미러 등 그 적용이 확대되고 있다. 이러한 다이아몬드 터닝 기술에서는 다이아몬드 공구의 고정밀한 인선(刃線)을 가공면에 전사해서 초경면(超鏡面)을 얻기 때문에 인선의 예리성이 중요함과 동시에 천연 다이아몬드를 사용하기 때문에 그 원석의 품질편차가 절삭성능에 영향을 준다. 최근에는, 이 분야에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며, 그 결과 알루미늄의 다이아몬드 터닝에서는 표면거칠기 10(㎚) 정도의 가공정도가 달성되고 있다.

일반적인 다이아몬드 터닝에서는 절입량이 수(㎛)에서 수십(㎛)이지만, 이 절입량을 서브 마이크로미터 이하로 제어하면 결정립계 단차가 없는 표면과 결함이 없는 이상적인 표면이 얻어질 가능성이 있다. 그러나, 초정밀 가공기는 공구대가 조립된 슬라이드의 행정거리가 수백(㎜)로 나노미터급의 위치 결정 분해능을 얻기 어렵고, 슬라이드의 관성력이 크기 때문에 공구와 가공물간의 동적인 상대 오차를 보상하기에 충분한 응답속도를 얻기 어렵다. 따라서, 최근에는 고분해능과 고응답성을 갖는 미소 절삭 장치(Fast Tool Servo)를 개발하여 이러한 문제를 해결하기 위한 많은 연구가 수행되었다.

도 1은 일반적인 미소 절삭 장치의 정면도이고, 도 2는 도 1에서 Ⅰ- Ⅰ선을 취하여 본 측단면도이다. 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 일반적인 미소 절삭 장치는 베이스(1), 베이스(1) 상에 탑재되며 공구(8)를 지지하는 공구 지지대(2), 공구 지지대(2) 내에 길이방향으로 수측, 팽창 가능하도록 설치되며 액튜에이터로 기능하는 압전 물질(3), 압전 물질(3)의 상부에 설치되며 그 선단에는 공구(8)가 탑재되는 공구 탑재대(7)가 형성된 가동부(4), 가동부(4)가 압전 물질(3)의 길이 방향으로만 이동하도록 가동부(4)를 탄력적으로 지지하는 힌지 스프링(5), 공구(8)의 변위량 즉 공구 탑재대(7)의 하단의 상하 이동량을 감지하는 변위 센서(6) 및 상기 변위 센서(6)를 공구 탑재대(7)의 하단에 고정적으로 지지하는 센서 지지대(10)로 이루어진다. 센서 지지대(10)는 나란히 늘어선 공구 지지대(2)에서 하방으로 연장된 상하 지지대(10a), 상하 지지대(10a)의 하단을 가로 질러 설치된 좌우 지지대(10b) 및 좌우 지지대(10b)의 중간에서 공구 탑재대(7) 하단에 형성된 공간을 향하여 연장된 전후 지지대(10c)로 구성되는데, 변위 센서(6)는 이러한 전후 지지대(10b)의 말단에 고정되어 공구 탑재대(7)의 하단의 변위를 측정하게 된다. 따라서, 압전 물질(3)이 팽창하여 가동부(4)가 움직이면 이렇게 움직인 거리만큼 두 변위 센서(6) 사이의 거리가 변하게 되고, 이러한 변화량을 신호 처리하여 압전 물질(3)의 변위량, 즉 가동부(4)의 이송량을 제어하게 된다.

그러나, 전술한 바와 같은 종래의 미소 절삭 장치에서는 공구(8)의 선단에서 공구 탑재대(7)의 하단에 이르는 거리(L1)와 상기 센서 지지대(10)의 상부 중심에서 하부 중심에 이르는 거리(L2)가 차이나는 때문에 온도가 변하는 경우에는 열팽창으로 인하여 변위 센서의 측정량에 오차가 발생하게 되고, 이러한 오차를 가진 측정량에 의거하여 공구의 이송을 제어하기 때문에 결과적으로 가공 오차가 유발되는 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 압전 물질을 액튜에이터로 하여 공구 탑재대를 이송하는 미소 절삭 장치에서 공구 탑재대와 센서 지지대의 열팽창에 따른 측정 오차를 자동으로 보상할 수 있는 구조를 갖는 미소 절삭 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 미소 절삭 장치의 정면도,

도 2는 도 1에서 Ⅰ- Ⅰ선을 취하여 본 측단면도,

도 3은 본 발명에 따른 미소 절삭 장치의 측단면도,

도 4은 본 발명이 적용되는 미소 절삭 장치의 블록 구성도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 베이스, 2 : 공구 지지대,

3 : 압전 물질, 4 : 가동부,

5 : 힌지 스프링, 6 : 변위 센서,

7 : 공구 탑재대, 8 : 공구,

9 : 고정 나사, 10 : 센서 지지대,

10a : 상하 지지대, 10b : 좌우 지지대,

10c : 전후 지지대, 20 : 센서 보드,

21 : A/D 변환기, 22 : 제어기,

23 : D/A 변환기, 24 : 고전압 증폭기

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고정 지지대의 길이 방향으로 이동가능하게 설치되며 그 선단에는 미소 절삭 공구가 탑재된 공구 탑재대, 상기 고정 지지대에 고정적으로 설치된 센서 지지대에 매달려서 상기 공구 탑재대의 하단 사이의 거리를 측정하는 변위 센서를 구비하고 상기 변위 센서에서 측정된 거리량에 의거하여 공구 탑재대의 이동량을 제어하는 미소 절삭 장치에 있어서, 상기 미소 절삭 공구와 공구 탑재대 및 센서 지지대를 열팽창 계수가 동일한 재질로 형성함과 동시에 상기 미소 절삭 공구와 공구 탑재대 하단 사이의 거리와 상기 센서 지지대의 길이 방향으로의 중심 거리를 실질적으로 동일하게 한 것을 특징으로 한다.

이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시 예에 따른 열팽창 오차의 보상 구조를 갖는 미소 절삭 장치에 대해서 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 미소 절삭 장치의 측 단면도로서, 도 1 및 도 2에 도시한 구성과 동일한 부분에는 동일한 참조 번호를 부여하고 그 상세한 설명은 생략한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 미소 절삭 장치에 있어서는 공구(8)의 선단에서 공구 탑재대(7)의 하단에 이르는 거리(L'1)와 상기 센서 지지대(10)의 상부 중심에서 하부 중심에 이르는 거리(L'2)를 동일하게 하고 있다. 이외에도, 미소 절삭 공구(8)와 공구 탑재대(7) 및 센서 지지대(10)를 열팽창 계수가 동일한 재질로 형성하고 있다.

도 4은 본 발명이 적용되는 미소 절삭 장치의 블록 구성도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명이 적용되는 미소 절삭 장치에서는 공구 지지대(2) 내에 설치된 압전 물질(3)에 전압이 인가되면 압전 물질(3)이 팽창하여 압전 물질(3)의 위쪽에 있는 가동부(4)를 밀어 올리게 되는데, 가동부(4)는 공구 탑재대(7)와 연결되어 있으므로 결과적으로 공구 탑재대(7)가 위쪽으로 움직이게 된다.

변위 센서(6)의 단부에는 전극판이 설치되어 있는데 공구 탑재대(7)의 하단(통상적으로 금속 재질로 이루어진다)과의 사이의 거리에 따른 정전 용량의 변화에 의거하여 공구 탑재대(7)와의 거리를 측정한다. 다음, 변위 센서(7)에서 측정된 변위량은 센서 보드(20)에 의하여 전압값으로 변환된다. 센서 보드(20)에 의해 전압값으로 변환된 가동부(4)의 이동 거리(또는 공구 탑재대(7)의 이동 거리)는 A/D 변환기(21)로 입력되고, A/D 변환기(21)는 이 전압값을 디지탈 신호로 바꾸어 제어기(22)로 입력한다. 제어기(22)는 A/D 변환기(21)로부터 입력받은 공구 탑재대(7)의 이동 거리를 기준 신호, 즉 원하는 공구 탑재대(7)의 이동 거리와 비교하여 공구 탑재대(7)의 이동거리가 기준 신호와 가능한 한 일치할 수 있도록 하여 제어 신호를 계산한다.

다음, 이렇게 계산된 제어 신호는 D/A 변환기(23)를 통하여 전압값으로 변환되고, 이렇게 변환된 전압값은 고전압 증폭기(24)에 입력되어 압전 물질(3)을 제어하는 데 필요한 수준으로 증폭되어 압전 물질(3)로 입력된다.

본 발명의 열팽창 오차의 보상 구조를 갖는 미소 절삭 장치는 전술한 실시 예에 국한되지 않고, 본 발명의 기술사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 열팽창 오차의 보상 구조를 갖는 미소 절삭 장치에 따르면, 압전 물질을 액튜에이터로 하여 공구 탑재대를 이송하는 미소 절삭 장치에서 공구 탑재대와 센서 지지대의 열팽창에 따른 측정 오차를 자동으로 보상하므로써 결과적으로 가공 오차를 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 고정 지지대의 길이 방향으로 이동가능하게 설치되며 그 선단에는 미소 절삭 공구가 탑재된 공구 탑재대, 상기 고정 지지대에 고정적으로 설치된 센서 지지대에 매달려서 상기 공구 탑재대의 하단 사이의 거리를 측정하는 변위 센서를 구비하고 상기 변위 센서에서 측정된 거리량에 의거하여 공구 탑재대의 이동량을 제어하는 미소 절삭 장치에 있어서, 상기 미소 절삭 공구와 공구 탑재대 및 센서 지지대를 열팽창 계수가 동일한 재질로 형성함과 동시에 상기 미소 절삭 공구와 공구 탑재대 하단 사이의 거리와 상기 센서 지지대의 길이 방향으로의 중심 거리를 실질적으로 동일하게 한 것을 특징으로 하는 열팽창 오차의 보상 구조를 갖는 미소 절삭 장치.