KR100383524B1 - 시료의연마장치 - Google Patents

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KR100383524B1
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토레센 브외른
토르킬센 게이르
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노르스크 히드로 아에스아
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Abstract

현미경 슬라이드 상에 결합된 암석 시료의 미세 조직 연마와 같은 시료들의 연마용 장치는 복수의 시료들을 유지시키도록 배치되어 있는 회전판(3)을 구비한 콘솔(console) 및 프레임 구조체(1)를 포함한다. 상기 회전판 위에는 수직 방향으로 가동하는 적어도 하나의 연마용 스핀들(2)이 배치되어 있다. 프로그램 가능한 제어 유니트(4)는 상기 연마 공정을 제어한다.

Description

시료의 연마 장치
본 발명은 시료의 연마 장치, 예를 들어 현미경 슬라이드 상에 결합된 암석 시료의 미세 구조 연마 장치에 관한 것이다.
지층(암석)으로부터 기름 및 가스를 추출하는 경우 그 지층의 성질에 관한 정보를 얻는 것은 기본적으로 중요하다. 특히, 현미경으로 해당 암석의 미세 구조를 연구하여 암석의 공극률 및 조직을 알게 됨으로써 그러한 정보를 얻는다. 먼저, 암석 조각을 절단하고 그 암석 조각을 함침시켜 연마물을 얻는다. 함침된 조각은 현미경 슬라이드 상에 결합되어 최종 연마되기 전에 표면 연마된다.
가장 보편적인 연마 방법은 소위 "팻칭(patching)"을 기초한 것인데, 이 방법에서는 탄화규소 입자가 물에 현탁된 상태로 회전형 주철 디스크에 공급하며, 그 시료들(시료들을 구비한 현미경 슬라이드)을 1개 또는 복수개의 회전 홀더에 결합하고 회전형 주철 디스크를 향하여 압박한다. 이러한 종류의 장치와 방법에 의해, 탄화규소 입자는 그 자체로 연마용 조성물로서의 역할을 하며, 두께는 점차 약 30 ㎛까지 줄어든다.
그러나, 공지된 방법과 장치에는 몇 가지 단점이 있다. 첫째, "팽칭" 작업 중에 연마용 입자가 시료들의 에폭시 플라스틱에 압입되어 연마된 시료의 기공 속의 검은 입자처럼 보이게 된다. 이로 인해, 최악의 경우에, 시료는 더 이상 분석할 수 없게 된다. 둘째, 회전형 주형 디스크는 연마 작업 중에 표면이 경사질 수도 있고, 자주 조정해야 한다. 이것은 상당히 많은 작업을 필요로 한다. 또한, 주철 디스크의 경사는 시료들을 매우 불균일하게 하므로 더 이상 시험할 수 없게 된다.
공지된 장치의 또 다른 단점은 작업자의 감독이 필요하고, 따라서 사용하기에 비용이 많이 든다는 것이다.
본 발명에 의하면 전술한 단점을 가지지 아니하는 시료 연마 장치가 제공된다. 즉,
- 본질적으로 사용이 더 용이하며,
- 연마 작업 중에 본질적으로 더 높은 정밀도를 제공하고,
- 시료들 속에 연마용 입자들이 침투하는 것을 방지하며,
- 작업자의 관여를 최소화하고,
- 본질적으로 마무리 가공 연마된 시료들의 더 미세하고 매끄러운 표면을 제공하며,
- 나중에 시료를 폴리싱하는 것과 관련된 시간을 절약하고,
- 다 큰 연마 용량을 가진다.
본 발명에 따른 장치는, 청구항 제1항에 규정된 바와 같이, 시료를 연마하기 위한 장치로서, 콘솔 및 프레임 구조체와; 시료 유지부를 구비하며, 상기 시료 유지부에 평행한 방향으로 측방향으로 이동하며 회전하도록 상기 콘솔 및 프레임 구조체에 회전 가능하고 이동 가능하게 장착되는 회전판과; 상기 회전판에 연결된 왕복 운동 기구 및 회전 기구로서, 상기 왕복 운동 기구는 상기 콘솔 및 프레임 구조체 상에서 상기 회전판을 직선 운동시킬 수 있고 상기 회전판과 상기 모터 사이에연결된 트랜스미션과 제1 모터를 구비하며, 상기 회전 기구는 상기 회전판을 회전시킬 수 있고, 상기 회전판에 연결된 제2 모터를 구비하는 것인 왕복 운동 기구 및 회전 기구와; 상기 회전판 상방에 배열되는 적어도 하나의 수직 이동 가능한 연마용 스핀들로서, 상기 적어도 하나의 수직 이동 가능한 연마용 스핀들 각각은 상기 시료 유지부를 향하여 수직가게 이동 가능한 연마용 디스크와, 상기 연마용 디스크를 회전시킬 수 있고 상기 하나 이상의 수직 이동 가능한 연마 스핀들에 연결된 제3 모터와, 상기 연마용 스핀들을 수직으로 이동시킬 수 있는 제4 모터를 포함하는 것인 하나 이상의 수직 이동 가능한 연마응 스핀들과, 상기 회전판의 왕복 운동 및 회전과, 상기 하나 이상의 연마용 스핀들의 회전 및 수직 운동을 제어할 수 있도록, 상기 제1 내지 제4 모터 각각과 연결된 프로그램 가능 제어 유닛을 포함하고, 이에 따라 상기 회전판 위에 배치되어 수직 방향으로 이동할 수 있는 적어도 하나의 연마용 스핀들에 의해 적어도 하나의 단계로서 연마 작업이 이루어진다.
종속항인 제2항 내지 제13항은 본 발명의 바람직한 특징을 규정한다. 이제, 본 발명의 실시예와 도면을 참조로 하여 설명한다.
제1도는 본 발명에 따른 연마 장치의 a) 정면도, b) 측면도, c) 평면도를 도시하고,
제2도는 상기 장치에 포함된 연마용 스핀들의 지지체를 확대하여 도시하는 도면이며,
제3도는 본 발명에 따른 회전판을 확대하여 도시한 평면도이다.
제4도는 각각 a) 본 발명에 따른 연마용 장치와 b) "팻칭"에 의해 공지된 장치에 의해 연마된 시료들의 예를 2개 도시한다.
본 발명에 따른 장치는 제1도에 도시된 바와 같이, 4개의 주 구성 요소, 즉 프레임 및 콘솔 구조체(frame and console structure)(1), 연마용 스핀들 장치(2), 회전판(3) 그리고 제어 유닛(4)을 포함한다.
상기 프레임 및 콘솔 구조체(1)는 장치를 이용할 경우, 연마 작업 중에 높은 에너지를 흡수하는 구조로 되어 있으므로, 연마 시료의 불균일을 방지하고 충분한 안정성을 확보하기 위해 강성이 큰 강철 빔과 보강재(5, 6, 7)로 이루어진다. 상기 프레임 및 콘솔 구조체에 관한 추가의 세부 사항에 관해서는 당업자라면 이미 이해하고 있을 것이므로 본 명세서에서는 더 이상 설명하지 않겠다.
제1도에 도시된 바와 같이, 연마용 스핀들 장치(2)는 회전판(3) 위에 마련된 2개의 연마용 스핀들로 구성되며, 이 중 하나는 초벌 가공용 스핀들이고 다른 하나는 미세 가공용 스핀들이며, 각각 전기 모터(8)에 의해 구동된다. 각각의 스핀들과 모터 유닛(2, 8)은 상기 콘솔 구조체의 레일(10)을 따라 수직 방향으로 이동 가능한 슬레지(sledge) 또는 캐리지(carriage)(9)에 의해 지지되어 있다.
캐리지(9)는 스핀들(2)들과 함께 서보모터(servomotor)(12)에 의해 운전되는 고정밀 너트/나사 장치(11)에 의해 상하로 이동될 수 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 장치는 ± 1 ㎛의 정밀도 및 20∼30 ㎛의 두께로 시료들을 미세하게 연마할 수 있는 구조로 되어 있다. 열팽창으로 인한 연마 작업의 편차를 방지할 목적으로, 연마용 스핀들은 제2도에 확대하여 다시 도시된 슬레지(9) 상의 특수한 지지체(13)에 지지되어 있다. 세부적으로, 테프론 패킹(14), 앵귤러 콘택트 볼 베어링(15, 16), 컵 스프링(17), 레이디일 콘택트 볼 베어링(18), 체결 너트(19), 스핀들 축(20), 그리고 중심 조정 링이 도시되어 있다.
전술한 바와 같이, 크기 및 볼 개수가 상이한 베어링들이 상기 지지체에서 사용되는데, 이는 볼의 궤도(ball raceway)가 시료들의 연마 표면에 바람직하지 못한 패턴들을 형성시키는 것을 방지하기 때문이다. 상기 컵 스프링들은 베어링(18), 각 하부 트러스트 베어링들(15, 16)을 향하여 일정한 압력을 생성하며, 그결과 살기 스핀들이 아무리 과열되더라도 연마 표면에 대해 부정확을 발생시키지 않는다. 바꾸어 말하면, 스핀들 축은 상향으로 자유롭게 팽창할수 있다. 테프론 밀봉부는 마찰이 작아서 스핀들 하우징에 열을 적게 발생시킨다. 연마용 스핀들 자체에 관해서는 디스크(21), 바람직하게는 연마 작업 중에 냉각이 쉽게 되는 컵으로서 형성된 금속 재료와 결합된 다이아몬드 입자로 이루어져 있다. 다이아몬드 디스크를 사용하는 것이 본질적으로 본 발명의 장점이며, 이는 시로들이 전체적으로 청결하고, 연마된 재료의 조직에 불필요한 입자들이 없기 때문이다.
제4도에는, 각각 a)본 발명에 따른 연마 장치 및 b)"팻칭"으로 알려진 장치에 의해 연마된 시료들의 예를 2개 도시한다. 제4b)도에서는 재료 조직에 불필요한 몇몇 입자들(30)이 존재한다. 제4a)도에 도시된 시료에서는 그러한 입자들이 없다.
본 발명의 제3의 주요 요소를 구성하는 회전판(3)(제2도 참조)은 벨트(22) 등을 통해 전기 모터(23)에 의해 구동되는 원형 디스크를 포함한다. 구동 기어(22, 23)를 구비한 디스크(3)는 프레임 구조체(5)의 레일(25) 상에 이동 가능하게 마련되어 있는 캐리지, 슬레지 또는 유사한 것(24) 상에 배치되어 있다. 이 캐리지는연마용 스핀들(2)을 상승 및 하강시키기 위하여 사용되고 있는 방법과 유사하게 너트/나사 장치를 통해 서보 모터에 의해 적절하게 구동될 수 있다.
전술한 바와 같이 이동할 수 있는 회전판(3)을 배치시킴으로써, 진동 및 회전이 결합된 연마 운동이 시료에 제공되어 이들을 매끄럽고 정밀하게 완전히 연마한다.
연마될 시료들은 진공에 의해 회전판(3) 위쪽에 착탈 가능하게 유지되어 있다. 제3도는 본 발명에 따른 회전판(3)을 확대하여 도시한 평면도이다. 상기 회전판은 청동으로 제조되며, 응력이 없고, 서로 소정 간격을 두고 패턴을 이루어 배치되어 있고, 진공원(도시되지 않음)이 연결되어 있는 홈 또는 리세스(31)와 연통하는 복수개의 구멍(28)을 가진다. 회전판에는 총 40개의 이러한 구멍들이 있으며, 동일한 개수의 이러한 시료들을 유지할 수 있는 홈들이 구비된다.
연마 작업 중에, 시료들을 냉각할 목적으로 회전판 위에 마련된 한 개 이상의 노즐을 통해 상기 회전판에 물을 공급한다.
상기 해결 방법을 위한 제어 시스템(4)을 구성하는 프로그램 가능 논리 제어부(PLC)는 본 발명에 포함되는 제4의 주요 부품이다. PLC 유닛의 작동은 터치 버튼이 있는 상이한 메뉴들이 연마 장치를 제어하기 위해 사용되고 있는 소위 "터치 스크린 디스플레이(touch screen display)"를 통해 적절하게 이루어질 수 있다. 전체 제어 시스템은 연마 장치, 바람직하게는 작동자가 쉽게 접근할 수 있는 제어판 상에 배치된 제어판과 관련하여 제공되어 있다.
사용되고 있는 이런 종류의 PLC 유닛은 시장에서 구입 가능하므로 그 자체로는 특히 가능한 어떤 것도 없으며, 따라서 PLC 유닛의 기술적인 해결 방법은 더 이상 설명하지 않겠다. 그러나, 연마 장치가 PLC 유닛에 의해 작동될 수 있는 방법에 관하여 이하에 간단하게 설명하기로 한다.
주 스윗치가 켜지면, 회전판과 연마용 스핀들을 나타내는 모든 "축"은 "오리고(origo)"라 불리는 영점으로 이동한다. 동시에 "오리고 검색" 이라는 문구가 작동자용 디스플레이에 표시된다. 장치가 사용할 수 있는 상태가 되면, 디스플레이에 주 메뉴가 나타난다. 예를 들어, 작업자는 암석 시료들의 자들 연마, 유리판의 자동 연마 또는 수동 연마 중에서 선택할 수 있다.
주 메뉴에서 수동 연마를 선택하면, 회전판의 운전과 관련된 선택 사항들과 사용하기에 바람직한 연마용 모터에 관련된 선택 사항들이 포함된 부 메뉴가 나타나게 된다. 만약 미세 연마 또는 초벌 연마를 선택한다면, 다른 부 메뉴가 나타나고 연마 공정의 수동 운전이 수행된다. 또한, 여기서 나중에 본 장치를 이용한 전자동 연마를 위해 사용될 수 있는 기준점들을 입력하고 저장(기억)할 수 있다. 다시 말하면 시료를 연마하고 기준점들을 저장함으로써, 본 장치는 연마 공정을 반복하여 자동으로 수행할 수 있다.
회전판의 진동 운동의 최종 위치의 선택은 별도의 메뉴로 수행된다. 또한 이러한 메뉴 상에서, 자동 연마를 위한 속도는 프로그램 가능하다.
자동 연마를 선택하기 전에, 우선 시료는 회전판 상에 배치되고, 진공 및 냉각수가 작동 개시된다. 그 후에, 유리 시료 자동 연마 또는 방식 시료 자동 연마가 주 메뉴로부터 선택된다. 이것이 끝나면, 각각의 부 메뉴가 나타나고, 프로그램 수행 중 언제라도 연마 공정을 시작하고 정지할 수 있다. 여기에서 모든 연마 공정을 초벌 연마 및 미세 연마 그리고 동시에 이루어지는 회전판의 진동을 이용하여 연마 작업이 끝날 때까지 실행될 수 있다. 이어서, 회전판은 시작 위치로 되돌아가고, 시료들은 다른 처리 및 분석을 할 준비가 된다.
연마 작업에 관해서는, 연마 시간이 줄어들기 때문에, 전술한 바와 같이, 2개의 연마 휠을 사용하는 것이 바람직하다는 것을 주목해야 한다. 이 경우에, 시료들은 우선 초벌 연마용 디스크를 이용하여 예를 들어 100 ㎛와 같은 적절한 두께로 초벌 연마를 실시한 후에, 예컨대 약 30 ㎛와 같은 필요한 두께로 미세 연마용 디스크에 의해 연마된다. 그러나, 청구항에 규정된 본 발명은 2개의 연마용 디스크로 한정되는 것이 아니며, 이러한 종류의 디스크가 단지 1개, 또는 3개 이상 마련될 수 있다.

Claims (13)

  1. 시료를 연마하기 위한 장치로서,
    콘솔 및 프레임 구조체와,
    시료 유지부를 구비하며, 상기 시료 유지부에 평행한 방향으로 측방향으로 이동하며 회전하도록 상기 콘솔 및 프레임 구조체에 회전 가능하고 이동 가능하게 장착되는 회전판과,
    상기 회전판에 연결된 왕복 운동 기구 및 회전 기구로서, 상기 왕복 운동 기구는 상기 콘솔 및 프레임 구조체 상에서 상기 회전판을 직선 운동시킬 수 있고 상기 회전판과 상기 모터 사이에 연결된 트랜스미션과 제1 모터를 구비하며, 상기 회전 기구는 상기 회전판을 회전시킬 수 있고 상기 회전판에 연결된 제2 모터를 구비하는 것인 왕복 운동 기구 및 회전 기구와,
    상기 회전판 상방에 배열되는 하나 이상의 수직 이동 가능한 연마용 스핀들로서, 상기 하나 이상의 수직 이동 가능한 연마용 스핀들 각각은 상기 시료 유지부를 향하여 수직하게 이동 가능한 연마용 디스크와, 상기 연마용 디스크를 회전시킬 수 있고 상기 하나 이상의 수직 이동 가능한 연마 스핀들에 연결된 제3 모터와, 상기 연마용 스핀들을 수직으로 이동시킬 수 있는 제4 모터를 포함하는 것인 하나 이상의 수직 이동 가능한 연마용 스핀들과 상기 회전판의 왕복 운동 및 회전과, 상기 하나 이상의 연마용 스핀들의 회전 및 수직 운동을 제어할 수 있도록, 상기 제1 내지 제4 모터 각각과 연결된 프로그램 가능 제어 유닛
    을 포함하는 연마 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 수직 이동 가능한 연마용 스핀들은 두 개의 연마 스핀들을 포함하며, 이들 중 하나는 초벌 연마 스핀들이고 다른 하나는 미세 연마 스핀들인 것인 연마 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 연마용 디스크 각각은 금속 결합 다이아몬드 입자를구비하는 것인 연마 징치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 연마용 디스크는 금속 결합 다이아몬드 입자를 구비하는 것인 연마 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 연마용 스핀들은 레일을 따라 수직 방향으로 이동 가능한 캐리지를 구비하고, 상기 제4 모터는 나사 및 너트 구조에 의해 상기 캐리지에 연결된 서보모터를 포함하는 것인 연마 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 회전판은 캐리지에 장착되며, 상기 캐리지는 레일 상에 장착되고, 상기 제1 모터는 서보모터를 포함하고, 상기 트랜스미션은 상기 캐리지 및 상기 서보모터에 연결된 나사 및 너트 구조를 포함하는 것인 연마 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 회전판은 상기 회전판의 둘레를 따라 배열되고 상기 회전판 상에 시료를 유지하는 진공원에 연결된 다수의 진공 구멍을 구비하는 것인 연마 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 연마용 스핀들은 각각 연마용 디스크와, 상기 연마용 디스크가 연결되어 있는 샤프트와, 상기 샤프트를 지지하는 드러스트 베어링과, 상기 연마용 디스크가 변위됨이 없이 상기 샤프트가 열팽창이 자유롭게 일어나도록 상기 드러스트 베어링에 대하여 상기 샤프트가 미리 설저되도록 상기 샤프트에 맞물리는 스프링 구조를 구비하는 것인 연마 장치.
  9. 제8항에 있어서, 드러스트 베어링은 상이한 직경과 상이한 개수의 볼을 구비하는 앵귤러 콘택트 볼 베어링인 두 개의 드러스트 베어링을 포함하는 것인 연마 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 연마용 디스크는 상기 제어 유닛의 제어 하에서 시료를 20 내지 30 마이크로미터 ± 1 마이크로미터의 두께로 연마할 수 있는 것인 연마 장치.
  11. 시료를 연마하기 위한 장치로서,
    콘솔 및 프레임 구조체와,
    시료 유지부를 구비하며, 상기 시료 유지부에 평행한 방향으로 측방향으로 이동하며 회전하도록 상기 콘솔 및 프레임 구조체에 회전 가능하고 이동 가능하게 장착되는 회전판과,
    상기 회전판에 연결된 왕복 운동 기구 및 회전 기구로서, 상기 왕복 운동 기구는 상기 회전판을 직선 운동시킬 수 있고 상기 회전판과 상기 모터 사이에 연결된 트랜스미션과 제1 모터를 구비하고, 상기 회전 기구는 상기 회전판을 회전시킬 수 있고 상기 회전판에 연결된 제2 모터를 구비하는 것인 왕복 운동 기구 및 회전 기구와,
    상기 회전판 상방에 배열되는 하나 이상의 수직 이동 가능한 연마용 스핀들로서, 상기 하나 이상의 수직 이동 가능한 연마용 스핀들 각각은 상기 시료 유지부를 향하여 수직하게 이동 가능한 연마용 디스크와, 상기 연마용 디스크를 회전시킬 수 있는 상기 하나 이상의 수직 이동 가능하고 연마용 스핀들에 연결된 제3 모터와, 상기 연마용 스핀들을 수직으로 이동시킬 수 있고 제4 모터를 구비하는 것인 하나 이상의 수직 이동 가능한 연마용 스핀들과,
    상기 회전판의 왕복 운동 및 회전과, 상기 하나 이상의 연마용 스핀들의 회전 및 수직 운동을 제어하기 위해 상기 제1 내지 제4 모터 각각과 연결되고, 상기 회전판의 왕복 운동과, 상기 회전판의 회전과, 상기 하나 이상의 연마용 스핀들의 회전이 동시에 일어날 수 있도록 상기 제1 내지 제4 모터를 제어할 수 있는 프로그램 가능 제어 유닛
    을 포함하는 연마 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제어 수단은, 상기 회전판에 시료가 장착될 때 상기 연마용 디스크가 상기 제4 모터에 의해 시료와 접촉을 이루게 하강되도록 제1 내지 제4 모터를 작동시 제어하고, 상기 제1 내지 제3 모터는 상기 회전판의 회전과, 상기 회전판의 왕복 운동과, 상기 연마용 디스크의 회전이 동시에 일어나도록 동시에 작동되는 것인 연마 장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 연마용 디스크는 상기 제어 유닛의 제어 하에서 시료를 20 내지 30 마이크로미터 ± 1 마이크로미터의 두께로 연마할 수 있는 것인 연마 장치.
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