KR100488305B1 - 비접촉식 휴대용 표면거칠기 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저광을 이용하는 비접촉식 표면 거칠기 측정장치에 관한 것이다. 본 발명의 측정장치는, 레이저광을 발사하는 광원(12)과, 상기 레이저광의 일부를 측정하고자 하는 표면으로 반사하는 하프미러(14)와, 측정하고자 하는 표면에서 반사되고 상기 하프미러를 통하여 투과되는 일부의 광을 집광하기 위한 포커싱렌즈(16), 그리고 상기 포커싱렌즈에서 집광되는 광이 입사되는 촬상소자(18)를 포함하여 구성되는 측정유니트(A)와; 상기 측정유니트의 하방에 설치되는 XY스테이지(S); 그리고 상기 XY스테이지를 각각 X축 및 Y축방향으로 이동시키는 이동장치를 포함한다.

Description

비접촉식 휴대용 표면거칠기 측정장치{A non-contact and portable surface roughness measuring device}

본 발명은 비접촉식 휴대용 표면거칠기 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 측정면의 표면에 입사되는 레이저광의 산란패턴을 이용하여 측정면의 스크래치 또는 거칠기를 측정할 수 있도록 구성되며, 일정한 구간 내에서 XY방향으로 이동 가능하게 구성되는 휴대용 표면 거칠기 측정장치에 관한 것이다.

현재 가전제품을 포함하는 여러 가지 제품에 대한 소비자의 미적 요구가 높아짐에 따라서, 여러 가지 제품의 외부 표면상태에 대한 기준이 엄격해지고 있다. 따라서 제품의 외관상태를 결정하는 금형의 표면은 경면에 가까운 가정 정도를 필요로 하고 있다. 또한 이러한 금형을 이용하더라도, 제품의 표면에 대한 연삭, 연마, 래핑가공은 필수적인 마무리 공정으로 인식되어 있다.

이와 같이 제품의 외관 정도에 대한 관심이 고조됨에 따라서, 상술한 바와 같은 표면의 마무리 공정을 수행할 때, 표면 거칠기의 측정을 통하여 외관 표면에 대한 정도를 충분히 확보하는 것이 요구되고 있다. 따라서 제품의 외관 정도를 확보하기 위하여, 마무리 가공에 있어서 표면 거칠기의 측정을 수행하게 되는데, 현재까지 사용되고 있는 표면 거칠기 측정기는, 제품의 외관에 직접 접촉하는 것에 의하여 표면 정도를 측정하는 접촉식 표면 거칠기 측정장치를 사용하고 있는 실정이다.

그러나 접촉식 표면 거칠기 측정기는, 제품의 표면정도를 측정을 위하여 가공물을 가공기에서 분리하여야 하기 때문에, 정밀도의 연속성을 보장하기 힘든 단점이 있다. 그리고 표면 정도 측정의 편의성을 위하여, 휴대가 가능한 접촉식 표면 거칠기 측정기도 개발되었으나, 접촉식 휴대용 측정기의 정확한 세팅 및 측정을 위하여 소요되는 시간이 길고, 측정을 수행할 때 측정기의 접촉부분이 측정면과 접촉하는데 따르는 측정압력에 의하여, 측정하고자 하는 면에 손상을 줄 우려도 있다.

본 발명의 목적은, 접촉식 표면 거칠기 측정장치가 가지는 단점을 보완하기 위한 것으로, 비접촉식으로 표면 거칠기를 정확하게 측정하되, 측정면의 선정보 또는 면정보를 획득할 수 있는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 측정하고자 하는 면에 대한 측정준비 및 측정시간이 아주 짧아서 단시간에 측정이 가능한 표면 거칠기 측정장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 표면 거칠기 측정장치는, 레이저광을 발사하는 광원과, 상기 레이저광의 일부를 측정하고자 하는 표면으로 반사하는 하프미러와, 측정하고자 하는 표면에서 반사되고 상기 하프미러를 통하여 투과되는 일부의 광을 집광하기 위한 포커싱렌즈, 그리고 상기 포커싱렌즈에서 집광되는 광이 입사되는 촬상소자를 포함하여 구성되는 측정유니트와; 상기 측정유니트의 하방에 설치되는 XY스테이지; 그리고 상기 XY스테이지를 각각 X축 및 Y축방향으로 이동시키는 이동수단을 포함하여 구성된다.

그리고 일 실시예에 의하면, 상기 XY스테이지는, 상기 측정유니트의 하부에 설치되는 Y스테이지와; 상기 Y스테이지의 하부에 설치되어, Y스테이지를 Y축방향으로 이동 가능하게 지지하는 X스테이지로 구성되고 있다.

그리고 다른 실시예에 의하면, 상기 X스테이지의 하부에 설치되어 X스테이지를 X축방향으로 이동 가능하게 지지하는 베이스를 더 포함하여 구성되고 있다.

그리고 또 다른 실시예에 의하면, 상기 이동수단은; 한쌍의 구동모터와; 상기 구동모터에 의하여 각각 회전하는 한쌍의 볼스크류와; 상기 볼스크류에 의하여 각각 X축 및 Y축으로 이동하고, 각각 X스테이지 및 Y스테이지에 연결되어 있는 볼너트로 구성되고 있다.

다음에는 도면에 도시한 실시예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 살펴보기로 한다.

먼저 도 1에는 본 발명의 측정장치에 내장되는 측정유니트(A)의 기본적인 구성이 도시되어 있다. 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 표면 거칠기 측정유니트는, 레이저광을 조사하는 광원(12)과, 상기 광원(12)에서의 레이저광의 일부를 측정하고자 하는 제품의 표면(20)으로 반사하는 하프미러(14), 상기 표면(20)에서 산란되고 반사된 광을 포커싱하는 포커싱렌즈(16), 그리고 상기 포커싱렌즈(16)를 통하여 입사되는 광을 측정할 수 있는 촬상소자(CCD:Charged Coupled Device)(18)를 포함하여 구성된다.

예를 들면 레이저 다이오드로 구성될 수 있는 상기 광원(12)에서의 빛은, 처음에는 수평방향으로 진행한 후, 상기 하프미러(14)에 의하여 일부가 측정 표면(20)으로 입사된다. 하프미러(14)의 특성상, 상기 광원(12)에서의 광의 반은 그것을 투과하고 나머지 반은 상기 측정 표면(20)을 향하여 반사된다.

그리고 상기 측정 표면(20)으로 입사된 빛은 상방으로 반사되는데, 다시 상부의 하프미러(14)를 거쳐 상부로 진행하게 된다. 여기서 상기 측정표면(20)은, 가공방법에 따라 뚜렷한 스크래치 방향이 존재하고, 면의 특성이 일정한 방향성을 가지고 있다. 따라서 상기 측정 표면(20)에서 발생하는 산란광의 분포는 스크래치의 영향을 많이 받으면 스크래치 방향에 수직되는 방향으로 많이 퍼지게 되는 산란패턴을 가지게 된다.

따라서 이러한 산란패턴을 가지는 산란광은, 상기 하프미러(14)를 거치면서 촬상소자(18)로 입사될 것이다. 그리고 이 때 상기 하프미러(14)를 거쳐서 투과되는 광은 측정 표면(20)에서 산란되면서 반사되는 광의 반에 해당하는 광량이고, 하프미러를 거친 광은 상기 포커싱렌즈(16)에 의하여 촬상소자(18)에 포커싱된다. 이렇게 하여 촬상소자(18)로 입사되는 광의 산란패턴을 이용하여 측정표면(20)의 스크래치의 크기 및 분포를 파악하는 것이 가능하게 된다.

측정 표면(20)의 상태에 따라, 산란되는 패턴이 상이하게 되고, 실질적으로 상기 촬상소자(18)에 입사되어 얻어지는 데이터의 분포가 다르게 나타나게 되는데, 이는 광분포곡선의 표준편차가 표면 거칠기와 상관관계를 가지고 있기 때문이다. 측정 표면(20)의 거칠기가 경면에 가까울수록 표준편차 값은 작아지게 되고, 광분포곡선의 정규분포에 가까워지지만, 측정 표면(20)의 거칠기가 나쁠수록 표준편차가 커지게 되는데, 본 발명에 의한 장치는 이러한 산란패턴의 상이한 특성을 이용하여 표면 거칠기를 측정하게 되는 것이다.

그리고 측정 표면(20)에 존재하는 스크래치에 따라서 레이저광의 산란신호가 다르게 나타난다. 측정 표면에 스크래치가 존재하는 경우, 측정 표면에 의하여 산란되어 촬상소자(18)에서 획득되는 표면 정보 데이터는 어지럽게 상하로 요동하는 그래프를 나타낸다. 즉, 도 2에 있어서, 가로축이 250에 가까운 부분은 실질적으로 경면에 가까운 표면 정도를 보이는 것이고, 세로방향으로 골이 깊은 부분은 스크래치의 정도를 보이게 되는 것이다. 이러한 그래프는, 스크래치의 깊이나 스크래치 사이의 간격 등에 관한 정보를 보이는 것이고, 이를 이용하여 제품의 표면(20)에 나타나는 평가를 수행하게 되는 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에서 사용하는 표면 거칠기 측정유니트(A)는, 전원을 온 시킨 상태에서 측정 준비가 완료되면, 상기 광원(12)에서의 레이저광이 표면(20)에 조사되어, 표면(20)의 거칠기 또는 스크래치의 여부에 따라서 반사율, 편차, 패턴 등이 상이하게 반사되어, 상술한 포커싱렌즈(16)를 통하여 촬상소자(18)에 입사된다. 이렇게 촬상소자(18)로 입사되는 광을 신호처리하여, 가공물의 평가척도인 표면 거칠기 값으로 환산하여 표시부(도시 생략)에 디스플레이하게 되는 것이다.

다음에는 이와 같은 측정유니트(A)를 이용하는 본 발명의 측정장치 전체적인 구성에 대하여 살펴보기로 한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 측정유니트(A)는, XY스테이지(S)의 상부에 설치된다. 상기 XY스테이지(S)는 그 상부에 설치되는 상기 측정유니트(A)를 X축 및 Y축으로 일정한 범위 내에서 이동시킬 수 있도록 구성되는 것이다. 따라서 상기 측정유니트(A)에서의 레이저광에 의하여 형성되는 레어저스팟은 도시한 바와 같이 일정한 범위 내에서 이동 가능하게 되어, 실질적으로 측정 표면(20)의 선정보 또는 면정보를 획득할 수 있게 될 것이다.

다음에는 상기 XY스테이지에 대한 실시예에 대하여 살펴보기로 한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 XY스테이지(S)는, X축구동모터(22)와, 상기 X축구동모터(22)에 의하여 회전하는 볼스크류(24), 그리고 상기 볼스크류(24)가 나사결합되어 있고 상기 XY스테이지(S)에 고정되어 있는 볼너트(26)에 의하여 X축방향으로 일정 간격 이동할 수 있게 된다. 즉 상기 X축구동모터(22)의 회전에 의하여 상기 볼스크류(24)가 회전하게 되면, 상기 볼스크류와 결합되어 있는 볼너트(26)가 X축방향으로 이동할 수 있게 된다. 상기 볼너트(26)는 XY스테이지(S)와 결합되어 있기 때문에, 상기 볼너트(26)의 X축방향의 이동에 따라 상기 XY스테이지(S)도 같이 X축방향으로 이동하게 되어 실질적으로 측정유니트(A)가 X축방향으로 이동할 수 있게 되는 것이다.

그리고 상기 XY스테이지(S)는, Y축구동모터(32)와, 상기 Y축구동모터(32)에 의하여 회전하는 볼스크류(34), 그리고 상기 볼스트류(34)가 나사결합되어 있고 상기 XY스테이지(S)에 고정되어 있는 볼너트(36)에 의하여 Y축방향으로 일정 간격 이동할 수 있게 된다. 그리고 이러한 Y축방향으로의 이동은, 상술한 X축방향의 이동과 실질적으로 동일한 것이다.

도 4는 상기와 같은 구성에 대한 일 실시예를 보이는 것이다. 도시한 실시예에 있어서는 상기 XY스테이지(S)를, X축으로 이동 가능하게 설치되는 X스테이지(Sx)와, 상기 X축의 상부에 설치되어 Y축으로 이동 가능한 Y스테이지(Sy)로 구성하고 있다. 상기 X스테이지(Sx)는 베이스(B) 상에서 X축으로 이동 가능하게 설치되고 있다.

이와 같은 구성에 있어서는, 상기 X축구동모터(22)가 구동되면 볼스크류(24)를 통하여 볼너트(26)가 상기 X스테이지(Sx)를 X축방향으로 이동시킬 수 있게 된다. 이 때 상기 X스테이지(Sx)는 베이스(B)의 상부에서 이동 가능하게 되는 것은 당연하다.

그리고 Y축구동모터(22)가 구동되면, 볼스크류(34)를 통하여 볼너트(36)가 Y축방향으로 이동하게 된다. 상기 볼너트(36)의 Y축방향 이동은, X스테이지(Sx)의 상부에 설치되어 있는 Y스테이지(Sy)에 의하여 이루어지게 된다.

이와 같이, 본 발명에 의한 XY스테이지(S)에 의하여, 측정유니트(A)는 XY축으로 일정 간격 이동할 수 있도록 구성하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있다. 그리고 본 발명의 측정유니트(A)는 레이저광을 이용한 비접촉식으로 표면 거칠기를 측정하고 있음을 알 수 있다.

따라서 본 발명에 의한 측정장치는, 비접촉식 측정유니트(A)를 이용하되 XY스테이지(S)에 의하여 측정하고자 하는 표면(20)의 선정보 및 면정보를 획득할 수 있도록 구성되고 있음을 알 수 있다.

그리고 상술한 실시예에 있어서는, XY스테이지를 X축 및 Y축으로 이동시키기 위하여 구동모터(22,32)와 볼스크류(24,34)를 이용하고 있으나 본 발명은 이와 같은 실시예에 의하여 한정될 수는 없을 것이다. 예를 들면 XY스테이지(S)를 X축 및 Y축으로 이동시킬 수 있는 이동수단이라면 어떠한 장치를 이용하는 것도 가능함은 당연할 것이라고 할 수 있다. 도 5는 본 발명의 측정장치를 사용하여 측정을 하는 과정을 보여준다.도면에서 화살표는 스테이지의 각 이송방향으로 X스테이지 및 Y스테이지의 이송방향을 표시하고 있으며, 측정표면(20)에 나타나 있는 각 점들은 측정 유닛(A)에 의해 조사된 각 레이저 스팟을 나타낸다. 도시된 바와 같이 각 레이저 스팟은 (A)를 구동시키는 X,Y 스테이지(S)의 이동에 따른 궤적을 그리게 되는데, 까만 스팟은 X(또는 Y)축 방향의 궤적을 나타내고 하얀 스팟은 Y(또는X )축 방향의 궤적을 나타낸다. 이는 도3의 피조물 표면에 나타난 일정한 범위 내에서 이동된 선정보 또는 면정보를 포함하는 영상정보라고 할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 의한 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능할 것이고, 본 발명은 첨부한 특허청구의 범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 의하면, 레이저광의 산란패턴을 이용하는 것에 의하여 실질적으로 비접촉식으로 측정 표면의 거칠기 또는 스크래치 등을 측정하는 것이 가능하게 된다. 따라서 접촉식에 의한 여러 가지 단점을 해결하고, 표면 거칠기를 정확하게 측정하는 것이 가능하게 되는 편리함이 있다. 그리고 상술한 바와 같은 본 발명의 측정장치는 실질적으로 소형으로 구현 가능하기 때문에, 휴대가 간편하여 표면 거칠기의 측정에 아주 편리한 장점도 기대된다.

더욱이 측정유니트(A)를 X축 및 Y축에 대하여 이동 가능하도록 구성함으로써, 측정하고자 하는 표면의 선정보 및 면정보를 더욱 정확하게 획득하는 것이 가능하게 되기 때문에, 표면정보의 거칠기에 대한 더욱 정확한 측정이 가능하게 되는 효과를 기대할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 표면 거칠기 측정장치의 측정유니트의 예시도.

도 2는 본 발명의 표면 거칠기 측정시 산란패턴을 보이는 그래프.

도 3은 본 발명의 측정장치의 개략 구성도.

도 4는 본 발명의 측정장치의 실시 예를 보인 사시도.

도 5는 본 발명의 측정장치에 의한 측정 과정을 보인 예시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

12 ..... 광원 14 ..... 하프미러

16 ..... 포커싱렌즈 18 ..... 촬상소자

22, 32 ..... 구동모터 24, 34 ..... 볼스크류

26, 36 ..... 볼너트 S ..... XY스테이지

A ..... 측정유니트

Claims (4)

1. 레이저광을 조사하는 광원과, 상기 레이저광의 일부를 측정하고자 하는 표면으로 반사하는 하프미러와, 측정하고자 하는 표면에서 반사되고 상기 하프미러를 통하여 투과되는 일부의 광을 집광하기 위한 포커싱렌즈, 그리고 상기 포커싱렌즈에서 집광되는 광이 입사되는 촬상소자와, 상기 촬상소자에 입사되는 측정 표면의 광 정보가 데이터 처리되어 측정표면의 선정보 및 면정보가 디스플레이되는 표시부를 포함하는 소형 휴대형 측정 유니트(A)와;

   상기 측정유니트의 하방에 설치되는 XY스테이지; 그리고

   상기 XY스테이지를 각각 X축 및 Y축방향으로 이동시키는 이동수단을 포함하여,

   상기 측정유니트에 포함되는 광원에 의해 피측정체의 측정 표면으로 조사되어 측정 표면의 선정보 또는 면정보를 포함하여 반사되는 레이저광을 상기 측정유니트가 데이터 처리함으로서 측정표면의 스크래치 크기 및 분포를 식별할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 휴대용 표면거칠기 측정장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 XY스테이지는, 상기 측정유니트의 하부에 설치되는 Y스테이지와; 상기 Y스테이지의 하부에 설치되어, Y스테이지를 Y축방향으로 이동 가능하게 지지하는 X스테이지로 구성되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 휴대용 표면 거칠기 측정장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 X스테이지의 하부에 설치되어 X스테이지를 X축방향으로 이동 가능하게 지지하는 베이스를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 휴대용 표면 거칠기 측정장치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 이동수단은;

   한쌍의 구동모터(22,32)와;

   상기 구동모터에 의하여 각각 회전하는 한쌍의 볼스크류(24,34)와;

   상기 볼스크류에 의하여 각각 X축 및 Y축으로 이동하고, 각각 X스테이지 및 Y스테이지에 연결되어 있는 볼너트(26,36)로 구성되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 휴대용 표면 거칠기 측정장치.