KR100687650B1 - 나노미터 스케일의 측정 및 가공을 위한 센서 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다양한 범위의 분해능을 구비하고 있는 정전 용량형 갭 센서와 다양한 탄성력을 구비하고 있는 탄성수단을 적절하게 취사 선택하여 요구되는 작업의 정도에 따라 능동적으로 대처할 수 있는 센서 장치에 관한 것으로서, 중심 축 방향으로 내부 수용 공간이 구비되는 하우징과, 상기 하우징의 내부 수용 공간 상단부에 고정 결합되는 정전 용량형 갭 센서와, 일단에는 소재 표면의 상태를 측정할 수 있는 프로브 장치 또는 소재 표면을 가공할 수 있는 가공 팁 장치 중에서 선택되는 어느 하나가 착탈식으로 결합될 수 있도록 결합홈부가 구비되며 상기 정전 용량형 갭 센서와 일정 간격 이격된 상태로 상기 하우징의 내부 수용 공간 하단부에 위치하여 상기 하우징 내부 수용 공간을 슬라이드 운동하는 가이드부와, 상기 정전 용량 갭 센서와 상기 가이드부 사이에 개재되는 탄성수단을 포함하여 이루어지는 센서 장치를 제공함을 그 기술적 특징으로 한다.

정전 용량형 갭 센서, 탄성수단

Description

나노미터 스케일의 측정 및 가공을 위한 센서 장치{Sensing device which measuring and treating for surface of material in nano-meter scale}

도 1은 본 발명에 따른 센서 장치의 일 실시예로서의 단면 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 센서 장치의 탄성수단의 스프링 상수를 계산하는 방법을 도시한 개략도.

도 3은 도 1의 센서 장치를 이용하여 소재의 표면 상태를 측정하는 방법을 도시한 개략도.

도 4는 본 발명에 따른 센서 장치의 다른 실시예로서의 단면 구성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 하우징 200 : 정전 용량형 갭 센서

300 : 가이드부 324 : 결합홈부

400 : 탄성수단 500 : 프로브 장치

600 : 시험용 검침장치

대한민국 특허공개공보 2004-085790

본 발명은 센서 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정전 용량형 갭 센서 자체가 보유하고 있는 분해능 그 자체를 이용하여 나노미터 스케일로 소재 표면 상태를 측정하거나 또는 소재 표면을 가공하는 등 측정 및 가공을 선택적으로 수행할 수 있는 센서 장치에 관한 것이다.

정전 용량형 갭 센서(Capacitance type gap sensor)는 센서와 검출 물체 사이의 간격이나 두께를 측정하는 장치의 일종으로서, 특히 센서와 검출 물체 사이의 용량 C = ε*S/d(ε:유전율, S:면적, d:변위)을 이용하여 위치 기준이 되는 센서로부터의 검출 물체의 변화하는 거리를 측정하게 된다.

이러한 정전 용량형 갭 센서는 그 정밀도로 인하여 자동차 분야 뿐 아니라 미세한 간격 또는 두께의 측정이 필요한 다양한 분야에서 널리 사용되고 있는데 대한민국 특허공개 2004-085790(이중 센서를 이용한 박막 측정장치 및 방법)도 그 중 하나로서, 이에는 정전 용량형 갭 센서를 이용하여 센서와 가공물을 연삭하는 메탈본딩재 숫돌의 피막층 까지의 간격을 측정하는 방식이 개시되어 있다.

그러나, 대한민국 특허공개 2004-085790를 포함하여 현재 정전 용량형 갭 센서를 이용하고 있는 기술들 대부분은, 정전 용량형 갭 센서 그 자체를 다른 장치들과 직접 연관시켜 이용하고 있는 것이 아니라 주된 장치와 직접적인 연관성 없이 개별적으로 부가되어 물체 사이의 간격이나 두께를 측정하는 단순한 보조 수단으로 이용되고 있을 뿐 이어서 정정 용량형 갭 센서가 구비하고 있는 뛰어나 정밀도를 제대로 활용하지 못하고 있는 실정이다.

더욱이, 현재 제안되고 있는 기술들 모두는 측정 수단으로서의 정전 용량형 갭 센서 기능에만 국한되어 있을 뿐 이를 소재의 표면 가공 수단으로 적용시키고 있는 기술은 전무한 상태이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명은 정전 용량형 갭 센서가 구비하고 있는 뛰어난 분해능을 직접적으로 이용할 수 있는 센서 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 정전 용량형 갭 센서의 기능을 소재의 표면 측정 수단 뿐 아니라 소재의 표면 가공 장치에도 직접 적용될 수 있도록 응용된 센서 장치를 제공함에 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 중심 축 방향으로 내부 수용 공간이 구비되는 하우징과, 상기 하우징의 내부 수용 공간 상단부에 고정 결합되는 정전 용량형 갭 센서와, 일단에는 소재 표면의 상태를 측정할 수 있는 프로브 장치 또는 소재 표면을 가공할 수 있는 가공 팁 장치 중에서 선택되는 어느 하나가 착탈식으로 결합될 수 있도록 결합홈부가 구비되며 상기 정전 용량형 갭 센서와 일정 간격 이격된 상태로 상기 하우징의 내부 수용 공간 하단부에 위치하여 상기 하우징 내부 수용 공간을 슬라이드 운동하는 가이드부와, 상기 정전 용량 갭 센서와 상기 가이드부 사이에 개재되는 탄성수단을 포함하여 이루어지는 센서 장치를 제공함을 그 기술적 특징으로 한다.

상기 가이드부는, 축 방향으로 형성되는 장공이 구비되어 상기 하우징의 내부 수용 공간 하단부에 고정 결합되는 가이드 지지부와, 일단에는 상기 결합홈부가 형성되어 상기 가이드 지지부의 장공 내부를 슬라이드 운동하는 가이드봉으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가이드부의 장공 내주면에는 축 방향으로 하나 이상의 요홈이 형성되며, 상기 가이드부 요홈에는 상기 가이드부의 장공 내부로 일부가 돌출된 상태로 내재되는 복수 개의 가이드 볼이 구비되며, 상기 가이드봉의 외주면에는 상기 가이드부의 장공 내부로 일부 돌출되는 가이드 볼 부분이 삽입될 수 있도록 축 방향으로 홈부가 더욱 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 하우징의 하단부에는 상기 가이드부가 상기 하우징 내주면과 일정 간격 이격된 상태에서 슬라이드 운동할 수 있도록 외부 공기가 유입되는 복수 개의 유입홀이 형성되며, 상기 하우징의 상단부에는 유입되는 공기가 배출될 수 있도록 하나 이상의 배출홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 살펴보면 다음과 같은데, 본 발명을 설명함에 있어 당업자에게 자명한 사항에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 센서 장치의 일 실시예로서 센서 장치는 기본적으로, 하우징(100)과, 간격을 측정하는 정전 용량형 갭 센서(200)와, 수직으로 슬라이드 운동하는 가이드부(300)와, 탄성력을 제공하는 탄성수단(400)을 포함하여 이루어진다.

상기 하우징(100)은 도 1에 개시되어 있는 센서 장치를 구성하는 각 부분들을 일체화하고 외부 환경으로부터 각 부분들을 보호하기 위한 수단으로서 내부 수용 공간이 구비되는 것이 바람직하며, 상기 내부 수용 공간은 축 방향으로 대칭으로 형성되는 것이 더욱 바람직하다.

상기 정전 용량형 갭 센서(200)는 후술할 가이드부(300)의 수직 위치를 검출하기 위한 것으로서 하우징(100)의 내부 수용 공간 상단부에 설치되는 것이 바람직하며, 하우징(100)의 내부 수용 공간에 직접 설치되어 고정되는 것 보다는 도시된 것과 같이 센서 고정부(220)를 통해 고정 설치되는 것이 정밀한 측정으로 위해 바람직하다.

또한, 상기 정전 용량형 갭 센서(200)는 측정 또는 가공하고자 하는 소재의 표면 상태, 또는 그 스케일에 따라 여러 다양한 분해능을 구비한 센서 중에서 임의로 선택하여 사용할 수 있음은 물론이다.

상기 가이드부(300)는 측정 또는 가공하고자 하는 소재의 표면 상태에 따라 하우징(100)의 내부 수용 공간 내부를 수직으로 슬라이드 운동하는 부분으로서 상기 하우징(100)의 내부 수용 공간 하단부에 설치되는 것이 바람직하며, 상기 가이드부(300) 일단에는 소재 표면의 상태를 측정할 수 있는 프로브 장치 또는 소재 표면을 가공할 수 있는 팁 장치 중에서 선택되는 어느 하나가 착탈식으로 결합될 수 있도록 결합홈부가 구비되는 것이 더욱 바람직하다.

도 1에는 본 발명에 따른 여러 다양한 가이드부(300)의 구성 중에서, 가이드부가 하우징(100)에 고정 결합되는 가이드 지지부(340)와, 일단은 정전 용량형 갭 센서(200)와 대향하며 타단에는 결합홈부(324)가 구비되어 상기 가이드 지지부(340) 내부를 슬라이드 운동하는 가이드봉(320)으로 이루어지는 일 실시예가 도시되어 있다.

상기 가이드 지지부(340)는 가이드봉(320)이 슬라이드 운동할 수 있도록 축 방향으로 장공이 형성되어 하우징(100)의 내부 수용 공간 하단부에 고정 결합되는 것이 바람직하다.

한편, 이 실시예에서는 가이드봉(320)이 가이드 지지부(340)의 장공 내부를 원활하게 슬라이드 운동할 수 있도록, 상기 가이드 지지부(340)의 장공 내주면 및 가이드봉(320)의 외주면 축 방향으로 각각 하나 이상의 요홈(362) 및 홈부(322)를 형성시키고, 상기 가이드 지지부 요홈(362)에는 복수 개의 볼(360)을 개재시킨 예가 도시되어 있는데, 상기 가이드 지지부 요홈(362) 및 가이드봉 홈부(322)의 형상 및 그 갯수는 경우에 따라 적절하게 선택할 수 있는 사항임은 물론이다.

또한, 상기 가이드부(300)를 구성하는 각 부분들은 어느 특정한 재질에 한정되지는 않으나, 정전 용량형 갭 센서(200)에 대하여 수직으로 슬라이드 운동하는 가이드봉(320)에 있어서 상기 정전 용량형 갭 센서(200)와 대향하는 상단 부분은 도체로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 탄성수단(400)은 가이드부(300)의 상단부가 정전 용량형 갭 센서(200)에 대하여 일정한 간격 이내에서 소재의 표면 상태에 따라 수직으로 슬라이드 운동하는 운동할 수 있도록 탄성력을 제공하는 수단이다.

본 발명에 따른 탄성수단(400)은 가이드부(300) 및 정전 용량형 갭 센서 (300) 사이 위치에 개재되기만 하면 무방하나, 탄성수단(400)이 고정되지 않은 경우에는 가이드부(300)가 수직으로 슬라이드 운동함에 있어 탄성수단(400)의 유동에 의해 영향을 받을 수 있음을 감안하면 상기 탄성수단(400)의 일단은 도시된 것과 같이 센서 고정부(220)의 일면에 형성되는 환형의 안착홈(도면부호 미도시)에 삽입될 수 있도록 하고, 그 타단은 가이드봉(320)의 상면부에 고정 결합시키는 것이 바람직하다.

한편, 소재의 표면 상태를 정밀하게 측정하거나 또는 가공하기 위해서는, 전술한 정전 용량형 갭 센서(200)가 의도하는 범위내에서의 정밀한 분해능을 구비해야 하지만, 소재의 표면 상태에 따라 수직으로 슬라이드 운동하는 가이드부(300)에 탄성력을 제공하는 탄성수단(400)의 탄성력 역시 중요하다.

도 2에는 본 발명에 따른 센서 장치에 장착되는 탄성수단(400)의 탄성력을 정확하게 계산할 수 있는 일 례가 개시되어 있다.

먼저, 변화하는 변위에 따라 정전 용량 값이 알려진 정전 용량형 갭 센서(200)를 하우징의 상단부에 고정 결합시키고, 가이드부(300)의 결합홈부(324)에 시험용 검침장치(600)를 장착한 다음 시험용 검침장치(600)의 끝단을 일정한 힘 F1(알려진 값)으로 지지되고 있는 로드 셀(load cell)에 접하게 한 다음 로드 셀에 외력 F2(알려진 값)를 가한다.

로드 셀에 F1보다 큰 외력 F2가 가해지면, 외력 F2에 의해 가이드부(300)는 수직으로 승강하게 되는데, 당초 일단이 정전 용량형 갭 센서(200)와 변위 X2로 유지된 상태에서 수직으로 승강하는 가이드부(300)는 지속적으로 승강하지 못하고 정전 용량형 갭 센서(200)와 가이드부(300) 사이에 개재되는 탄성수단(400)의 탄성력에 의해 정전 용량형 갭 센서(200)와 변위 X1에서 정지하게 된다.

로드 셀로 가해지는 외력의 차이는 F2 - F1 = K(X2 - X1)인데, 이 중에서 외력 F2 및 F1는 이미 알려진 값이며, 변위 X2 및 X1은 정전 용량형 갭 센서의 용량 변화에 따른 테이블에서 알 수 있기 때문에 탄성수단의 스프링 상수 K는 쉽게 알 수가 있게 되는 것이다.

즉, 본 발명에 따른 센서 장치는 작업의 의도에 부합되도록 적절한 분해능을 구비한 정전 용량형 갭 센서와 적절한 스프링 상수를 구비한 탄성수단을 취사 선택하는 것에 의해, 보다 정밀하게 소재 표면의 상태를 측정할 수 있을 뿐 아니라 가이드부를 통해 소재 표면에 가해지는 힘을 매우 정밀하게 제어할 수 있다는 특징이 있다.

도 3에는 도 1에 개시된 본 발명에 따른 일 실시예로서의 센서 장치를 이용하여 소재의 표면 상태를 측정하는 방법이 개략적으로 도시되어 있다.

먼저, 센서 장치를 구성하는 가이드부(300)의 결합홈부(324)에 프로브 장치(500)를 장착한 다음 표면 상태를 측정하고자 하는 소재(M) 표면에 프로브 장치(500)의 끝단을 접촉시킨다.

이 상태에서 센서 장치를 측정하고자 하는 방향에 따라 이동시키면(센서 장치를 고정하고 소재를 이동시킬 수도 있음은 물론이다), 가이드부(300)는 탄성수단(400)의 탄성력에 의해 불균일한 소재 표면의 수직 높이 차이 만큼 정전 용량형 갭 센서(200)에 대하여 수직으로 슬라이드 운동하게 되고, 수직으로 슬라이드 운동하 는 가이드부(300)에 의해 발생되는 가이드부(300) 및 정전 용량형 갭 센서(200) 사이의 정전 용량(갭 간격)를 변화시키게 된다.

이러한 정전 용량의 변화값을 적절한 증폭기(Amplifier)를 통해 증폭시켜 오실로스코프(Oscilloscope)로 전달하면 오실로스코프는 측정되는 소재 표면 상태에 대한 실시간 정보를 보여주게 되는 것이다.

따라서 본 발명에 따른 센서 장치를 이용하여 소재의 표면 상태를 측정함에 있어 나노미터 스케일의 분해능을 구비한 정전 용량형 갭 센서 및 이에 대응되는 탄성력을 구비한 탄성수단를 장착하여 사용하는 경우에는 소재의 표면 상태를 나노미터 스케일로 매우 정밀하게 측정하는 것이 가능해지는 것이다.

개시되지는 않았지만 본 발명에 따른 가이드부(300)의 결합홈부(324)에 소재 표면 상태를 측정할 수 있는 프로브 장치(500) 대신에, 소재 표면에 대한 가공이 이루어질 수 있도록 팁을 구비한 가공 팁 장치를 장착시키는 경우에는 소재 표면에 대한 정밀한 가공 작업이 가능함은 물론이다.

도 4는 본 발명에 따른 센서 장치의 다른 실시예로서의 단면 구성이 개시되어 있는데, 이 실시예는 가이드부(300)가 하우징(100)의 내부 수용 공간과 직접 접하지 않도록 구성한 다음, 하우징(100)의 하단부에는 외부 공기가 유입될 수 있도록 복수 개의 유입홀(120)이 형성되며, 하우징(100)의 상단부에는 상기 유입홀(120)를 통해 유입되는 공기가 외부로 배출될 수 있도록 하나 이상의 배출홀(160)을 형성시킨 점에 그 기술적 특징이 있다.

즉, 유입홀(120)을 통해 일정 압력으로 하우징(100) 내부로 유입되는 공기에 의해 가이드부(300)의 외주면이 하우징(100)의 내부 수용 공간의 내주면과 일정하게 간격 △l을 유지할 수 있도록 함으로서, 가이드부(300)가 하우징(100)의 내부 수용 공간과 접촉되지 않은 상태에서 수직으로 슬라이드 운동하는 것이 가능해지는 것이다.

상기 유입홀(120)은 가이드부(300)가 하우징(100)의 내부 수용 공간과 접촉되지 않은 상태에서 수직으로 슬라이드 운동할 수 있도록 하우징의 하단부에서 가이드부(300)에 대하여 좌우 대칭 또는 이와 유사한 구성으로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 배출홀(160)은 적절한 공기의 배출만 보장된다면 정전 용량형 갭 센서(200)와 가이드부(300) 사이 공간 어디에 형성되더라도 무방하다.

도 1의 실시예에 있어서 가이드부는 고정 결합되는 가이드 지지부 및 슬라이드 운동하는 가이드봉으로 이루어짐에 비해, 이 실시예에 따른 가이드부는 일단에 프로브 장치 또는 가공 팁 장치 등을 착탈식으로 결합시킬 수 있는 결합홈부(324)가 구비되기만 한다면 도시된 것과 달리 단일 구조 또는 형상으로 이루어지는 경우를 배제하지 않는다.

이 실시예에서 상술하지 않은 부분은 전술한 실시예에서 설명한 부분이 그대로 적용될 수 있는바 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

상기에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 한정하여 상술하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명은 다양하게 변경 또는 수정이 가능하다 할 것이다.

본 발명은 뛰어난 분해능을 구비하고 있는 정전 용량형 갭 센서를 이용하여 소재의 표면 상태를 직접 측정하거나 또는 소재의 표면을 직접 가공할 수 센서 장치를 제공할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 다양한 범위의 분해능을 구비하고 있는 정전 용량형 갭 센서와 다양한 탄성력을 구비하고 있는 탄성수단을 적절하게 취사 선택하여 센서 장치를 구성할 수 있게 됨에 따라 요구되는 작업의 정도에 따라 능동적으로 대처할 수 있도록 해준다.

Claims (4)

1. 중심 축 방향으로 내부 수용 공간이 구비되는 하우징과;

   상기 하우징의 내부 수용 공간 상단부에 고정 결합되는 정전 용량형 갭 센서와;

   축 방향으로 형성되는 장공이 구비되어 상기 하우징의 내부 수용 공간 하단부에 고정 결합되는 가이드 지지부와, 일단에는 소재 표면의 상태를 측정할 수 있는 프로브 장치 또는 소재 표면을 가공할 수 있는 팁 장치 중에서 선택되는 어느 하나가 착탈식으로 결합될 수 있도록 결합홈부가 형성되어 상기 가이드 지지부의 장공 내부를 슬라이드 운동하는 가이드봉으로 이루어져, 상기 정전 용량형 갭 센서와 일정 간격 이격된 상태로 상기 하우징의 내부 수용 공간 하단부에 위치하여 상기 하우징 내부 수용 공간을 슬라이드 운동하는 가이드부와;

   상기 정전 용량 갭 센서와 상기 가이드부 사이에 개재되는 탄성수단을;

   포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 가이드부의 장공 내주면에는 축 방향으로 하나 이상의 요홈이 형성되며, 상기 가이드부 요홈에는 상기 가이드부 장공 내부로 일부가 돌출된 상태로 내재되는 복수 개의 가이드 볼이 구비되며, 상기 가이드봉의 외주면에는 상기 가이드부의 장공 내부로 일부 돌출되는 가이드 볼 부분이 삽입될 수 있도록 축 방향으로 홈부가 더욱 형성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 하우징의 하단부에는 상기 가이드부가 상기 하우징 내주면과 일정 간격 이격된 상태에서 슬라이드 운동할 수 있도록 외부 공기가 유입되는 복수 개의 유입홀이 형성되며, 상기 하우징의 상단부에는 유입되는 공기가 배출될 수 있도록 하나 이상의 배출홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
4. 삭제

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