KR100853285B1

KR100853285B1 - 고속 에어스핀들용 진동 진단장치

Info

Publication number: KR100853285B1
Application number: KR1020070058896A
Authority: KR
Inventors: 신응수
Original assignee: 충북대학교 산학협력단
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2008-08-25

Abstract

60,000 rpm급 고속 에어스핀들의 동적 특성에 대한 이론 해석과 응답 측정으로부터 진동을 야기하는 다양한 요인을 찾아낼 수 있어 고속 에어스핀들의 저진동 구현 및 운전단계에서의 효과적인 진동방지 대책을 마련할 수 있게 하는 고속 에어스핀들용 진동 진단장치가 개시되어 있다. 본 발명에 따른 진단장치는; 50,000~60,000 rpm으로 회전하는 에어스핀들을 구비하는 진단대상물; 에어스핀들의 외부에 부착되는 가속도센서를 통해 진동을 측정하는 진동감지부; 및 가속도센서에서 얻어진 신호의 잡음을 제거하여 증폭한 후, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 작업자에게 나타내어주는 신호처리부로 이루어진다.

Description

고속 에어스핀들용 진동 진단장치{VIBRATION MONITORING DEVICE FOR HIGH SPEED AIR SPINDLE}

도 1은 본 발명에 따른 고속 에어스핀들용 진동 진단장치를 개략적으로 나타낸 도면이며,

도 2a는 도 1에 도시된 진동대상물을 개략적으로 나타낸 도면이고,

도 2b는 도 2a에 도시된 에어스핀들의 내부를 보인 도면이며, 그리고

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 고속 에어스핀들용 진동 진단장치를 통해 얻어진 진동 유형을 나타낸 그래프이다.

<도면의주요부분에대한부호의설명>

100 : 고속 에어스핀들용 진동 진단장치 200 : 진단대상물

210 : 에어스핀들 300 : 진동감지부

400 : 신호처리부

본 발명은 고속 에어스핀들용 진동 진단장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 60,000 rpm급 고속 에어스핀들의 동적 특성에 대한 이론 해석과 응답 측정으 로부터 진동을 야기하는 다양한 요인을 찾아낼 수 있어 고속 에어스핀들의 저진동 구현 및 운전단계에서의 효과적인 진동방지 대책을 마련할 수 있게 하는 고속 에어스핀들용 진동 진단장치에 관한 것이다.

일반적으로 미크론 단위의 초정밀도가 요구되는 반도체 웨이퍼 절단작업(Dicing)에는 진동을 최소화하기 위해 에어베어링으로 지지되는 스핀들이 사용되고 있다. 하지만 스핀들이 50,000~60,000 rpm의 고속으로 회전하기 때문에 회전 불평형, 축 어긋남, 축/베어링 간의 마찰(rubbing), 공진현상 등 다양한 진동원에 의해 발생하는 미소 진동일지라도 스핀들의 성능에 직접적인 영향을 미치게 되며 이에 대한 면밀한 분석이 필수적이다.

전술한 반도체 웨이퍼 절단용 고속 에어스핀들에서 발생하는 진동문제의 해결을 위한 방법으로는, 우선 스핀들계의 상태 감시(Condition monitoring)를 통해 발생하는 진동을 감시하고 허용 수준을 벗어날 경우 밸런싱을 통하여 축의 회전 불평형을 상쇄함으로써 발생하는 진동을 줄이는 방안이 가장 보편적이다. 하지만 이러하 기존의 방안은 회전 불평형 이외의 원인에 의해 발생하는 진동은 계속 남아 있게 되며 스핀들이 고속화함에 따라 진동이 더 증폭되어 스핀들의 성능향상에 장애 요인이 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해서 최근 들어 학계 및 진동 전문가 그룹에서는 많은 논의가 있었으나, 고속으로 회전하는 에어스핀들의 동적 특성에 대한 이론 해석과 응답측정으로부터 진동을 야기하는 다양한 요인을 찾아내고 그 상관관계를 분석하는 진단장치가 상용화되어 보급되지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 60,000 rpm급 고속 에어스핀들의 동적 특성에 대한 이론 해석과 응답 측정으로부터 진동을 야기하는 다양한 요인을 찾아낼 수 있어 고속 에어스핀들의 저진동 구현 및 운전단계에서의 효과적인 진동방지 대책을 마련할 수 있게 하는 고속 에어스핀들용 진동 진단장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서 본 발명은,

진동 진단장치에 있어서,

진동 진단장치는;

50,000~60,000 rpm으로 회전하는 에어스핀들을 구비하는 진단대상물;

에어스핀들의 외부에 부착되는 가속도센서를 통해 진동을 측정하는 진동감지부; 및

가속도센서에서 얻어진 신호의 잡음을 제거하여 증폭한 후, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 작업자에게 나타내어주는 신호처리부로 이루어진 고속 에어스핀들용 진동 진단장치를 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 60,000 rpm급 고속 에어스핀들의 동적 특성에 대한 이론 해석과 응답 측정으로부터 진동을 야기하는 다양한 요인을 찾아낼 수 있어 고속 에어스핀들의 저진동 구현 및 운전단계에서의 효과적인 진동방지 대책을 마련할 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 고속 에어스핀들용 진동 진단장치에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 고속 에어스핀들용 진동 진단장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 고속 에어스핀들용 진동 진단장치(100)는 회전체, 특히 50,000~60,000 rpm으로 회전하는 반도체 웨이퍼 절단용 고속 에어스핀들(210)의 진동을 검출한다. 이를 위해서 본 발명에 따른 진단장치(100)는 진단대상물(200)과, 진단대상물(200)의 진동을 측정하는 진동감지부(300)와, 진동감지부(300)의 신호를 변화하여 작업자에게 나타내어주는 신호처리부(400)로 이루어진다.

도 2a는 도 1에 도시된 진동대상물을 개략적으로 나타낸 도면이며, 그리고 도 2b는 도 2a에 도시된 에어스핀들의 내부를 보인 도면이다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 진단대상물(200)은 통상의 고속 에어스핀들(210)과, 에어스핀들(210)의 회전 속도를 조절하는 속도조절수단(220)과, 에어스핀들(210)에 에어를 공급하는 에어공급수단(230)과, 에어스핀들(210) 운전 조건에 요구되는 에어의 습도를 조절하는 습도조절수단(240)으로 이루어진다.

에어스핀들(210)은 누구나 알 수 있듯이, 샤프트(212), 샤프트(212)를 회전시키는 4극의 BLDC 모터(214)와, 샤프트(214)를 감싸는 하우징(216)으로 이루어진다. 이때, 샤프트(212)와 하우징(216)의 내주면 사이로는 압축에어 및 습도 유지를 위한 수증기가 공급되고, 그 결과 샤프트(212)와 하우징(216)의 내주면 사이에는 에어포켓(218)이 형성된다. 압축에어와 수증기는 하우징(216)에 장착되는 통상의 노즐을 통해 공급된다.

한편, 속도조절수단(220)은 BLDC 모터(214)와 전기적으로 연결되는 통상의 인버터, 에어공급수단(230)은 통상의 컴퓨레셔이고, 습도조절수단은 통상의 에어 드라이어를 채택함이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 에어스핀들(210)은 진동방지작업테이블에 고정된 브리블록(V-Block)에 올려진다.

다시 도 1을 참조하면, 진동감지부(300)는 에어스핀들(210)의 외부에 부착되는 가속도센서(310)를 구비한다. 이러한 가속도센서(310)는 실시간으로 에어스핀들(210)의 횡 방향에 대한 진동 응답을 받는다.

한편, 신호처리부(400)는 진동감지부(300)와 전기적으로 연결된다. 신호처리부(400)는 진동감지부(300)의 가속도센서(310)에서 얻어진 신호의 잡음을 제거하여 증폭한 후, 아날로그 신호를 디지털 신호로의 변환을 수행한다. 이렇게 변환된 디지털 신호는 프로그램에 의해서 그래픽 처리되어 작업자에게 전달된다.

하기에는 전술한 고속 에어스핀들용 진동 진단장치(100)를 통해 얻어진 에어스핀들(210)에 따른 진동 유형에 대해 설명한다.

도 3a 및 도 3c를 참조하면, 도 3a는 편심에 의한 회전 불균형으로 인한 진동을 나타낸 것이며, 도 3b는 축 어긋남으로 인한 진동을 나타낸 것이고, 도 3c는 에어베어링의 결함으로 인한 진동을 나타낸 것이다.

도 3a에서 진동응답의 주파수 변환을 보면 회전 불균형이 발생하는 경우는 회전 속도와 동일한 주파수 성분(X1)이 매우 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 또한, 축 어긋남으로 인한 진동은 도 3b에서와 같이 회전 속도와 동일한 주파수 성분이 아닌 N배수(XN, N>1)의 성분이 더 클 것을 알 수 있으며, 반면 에어베어링 결합의 원인에 의한 진동이 발생하는 경우 회전 속도의 N배수만이 아닌 중간 지점(X0.5, X1.5 등)에서도 주파수의 피크(peak) 성분이 나타낸 것을 알 수 있다.

전술한 주파수의 특성을 이용하여 에어스핀들(210)에서 발생하는 진동이 어떤 원인에 의해 발생하는지를 진단할 수 있고, 에어스핀들(210)의 유지 보수에 소요되는 비용가 시간을 획기적으로 절감할 수 있을 뿐만 아니라 소수의 해외 업체들이 장악하고 있는 에어스핀들(210)의 수리 시장에서 경쟁력을 확보할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고속 에어스핀들용 진동 진단장치(100)는 진동대상물(200), 진동대상물(200)의 진동을 측정하는 진동감지부(300)와, 진동감지부(300)의 신호를 변화하여 작업자에게 나타내어주는 신호처리부(400)를 구비함으로써, 진동대상물(200) 즉, 에어스핀들(210)의 다양한 진동 유형을 파악할 수 있고, 진동 유형에 따라 에어스핀들(210)의 유지 및 보수에 소요되는 비용과 시간을 획기적으로 절감할 수 있는 이점이 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해 할 수 있을 것이다.

Claims

진동 진단장치에 있어서,

상기 진동 진단장치는;

50,000~60,000 rpm으로 회전하는 에어스핀들을 구비하는 진단대상물;

상기 에어스핀들의 외부에 부착되는 가속도센서를 통해 진동을 측정하는 진동감지부; 및

상기 가속도센서에서 얻어진 신호의 잡음을 제거하여 증폭한 후, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 작업자에게 나타내어주는 신호처리부로 이루어진 것을 특징으로 하는 고속 에어스핀들용 진동 진단장치.
제 1 항에 있어서, 상기 진단대상물은 상기 에어스핀들의 회전 속도를 조절하는 속도조절수단과, 상기 에어스핀들에 에어를 공급하는 에어공급수단과, 상기 에어스핀들 운전 조건에 요구되는 에어의 습도를 조절하는 습도조절수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고속 에어스핀들용 진동 진단장치.
제 2 항에 있어서, 상기 에어스핀들 샤프트, 상기 샤프트를 회전시키는 4극의 BLDC 모터와, 상기 샤프트를 감싸는 하우징으로 이루어지며, 상기 샤프트와 상기 하우징의 내주면 사이로는 에어노즐에 의해서 압축에어가 공급되어 상기 샤프트와 상기 하우징의 내주면 사이에 에어포켓이 형성하고, 상기 속도조절수단은 상기 BLDC 모터와 전기적으로 연결되는 통상의 인버터이며, 상기 에어공급수단은 상기 에어노즐과 연결되는 통상의 컴퓨레셔이고, 상기 습도조절수단은 통상의 에어 드라이어인 것을 특징으로 하는 고속 에어스핀들용 진동 진단장치.