KR101521566B1 - 3차원 가공을 위한 ｆａｓｔ ｔｏｏｌ ｓｅｒｖｏ의 멀티구동 메커니즘 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 가공을 위한 Fast Tool Servo의 멀티구동 메커니즘에 관한 것으로, 일정두께를 갖는 사각 플레이트의 형태를 취하며 제 1관통홀(53a) 및 제 2관통홀(53b)을 갖는 메인바디(53)와, 제 1,2관통홀(53a,53b)의 내부에 각각 장착되는 초음파발진자(15)와, 메인바디(53)의 귀퉁이부에 고정되며 메인바디(53)의 외측으로 돌출된 절삭툴(19)을 구비한다. 또한, 절삭툴(19)과 제 1,2관통홀(53a,53b)의 사이에 진동전달부(55)가 위치한다. 진동전달부(55)는 초음파발진자(15)의 진동력을 절삭툴(19)로 유도하여 절삭툴(19)이 3차원 절삭가공을 할 수 있게 한다. 즉 절삭툴(19)이 x축방향 및 y축 방향으로 변위 할 수 있게 한다.

Description

3차원 가공을 위한 ＦＡＳＴ ＴＯＯＬ ＳＥＲＶＯ의 멀티구동 메커니즘{Fast Tool Servo for processing 3-dimensional, multi-drive mechanism}

본 발명은 3차원 가공을 위한 Fast Tool Servo의 멀티구동 메커니즘에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 종래의 메커니즘 설계에서 변형된 두 축 방향의 동시 또는 개별 가공영역을 지니는 기능성을 가짐으로써 멀티작동이 가능한 3차원 미소절삭장치에 관한 것이다.

최근 디스플레이 기술의 발전 트랜드를 기초로 살펴보면, 현재부터 대략 2030년까지, 플렉시블 및 3D 디스플레이 분야와 OLED(Organic Light-Emitting Diode)분야의 수요가 급격히 늘어날 것으로 전망되고 있다.

상기한 디스플레이 분야에서의 핵심 기술의 하나는, 무엇보다 미세패턴 가공기술이라 할 것이다. 상기 미세패턴 가공기술은, 디스플레이 제품 내의 백라이트용 광학필름을 제작하기 위한 마스터롤(master roll)의 미세 제작에 이미 적용되고 있다.

상기한 마스터롤은, 광학필름의 패턴 형상을 결정하는 것으로서, Ni-P도금으로 표면 처리된 고경도 황산동의 표면을, 다이아몬드 툴을 사용하여, 프리즘 패턴이나 웨이브(wave)패턴으로 형성하여 제작된 것이다.

한편, 최근에는 상기한 마스터롤 뿐 아니라, 각종 초정밀 가공을 위한 이른바 미세가공 시스템에 관한 개발이 활발히 진행되고 있으며, 높은 가공속도에서 표면작업을 할 수 있는 이른바 미소절삭장치(FTS(Fast Tool Servo))도 계속적으로 발전하고 있다.

미소절삭장치는 빠른 주파수 응답특성을 가지면서 정밀 이송이 가능한 피에조 액추에이터(Pieyo Actuator)를 이용해 절삭공구를 미세 진동시켜 소재를 가공하는 장치로서, 가공 중 실시간으로 운동오차를 보정할 수 있어 초정밀 제품 제작에 적극 사용되고 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-0800498호 "몰드, 그 절삭 가공 장치 및 그에 의해 제조되는 전사체"는 몰드의 절삭 가공 장치는 상기 몰드의 피가공면을 절삭 가공하는 절삭부; 상기 절삭부를 수납하는 영역 및 상기 절삭부의 일부를 외부로 돌출시키는 개구를 갖는 하우징; 상기 절삭부와 상기 하우징의 내면 사이에 배치되는 하나 이상의 압전 소자; 및 상기 압전 소자에 전기적 신호를 가하는 신호 발생기를 포함한다. 본 발명에 따른 몰드 및 그 절삭 가공 장치 의하면, 이차원적으로 광을 굴절시킬 수 있는 패턴을 갖는 전사체의 제조가 가능한 기술을 제안하고 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2011-0015155호 "초정밀 진동 절삭기구 장치"는 본체와, 상기한 본체의 상부에 설치되어 있는 본체 지지기구와, 상기한 본체의 상부에 설치되어 있는 한쌍의 압전 소자와, 상기한 한쌍의 압전 소자를 각각 지지하기 위한 압전 액츄에이터 지지기구와, 상기한 본체 지지기구의 가운데에 설치되어 있는 원형 힌지와, 상기한 본체 지지기구와 원형 힌지의 상부에 설치되어 있는 절삭기구 고정자와, 상기한 본체의 하부에 설치되어 있는 공구홀더와, 상기한 공구홀더의 끝에 장착되어 있는 공구를 포함하여 이루어지는 기술을 제안하고 있다.

이와 같이 종래기술은 절삭가공에 목적을 두어 두 개의 진동발생기를 구비하고 있으나, 절삭방법에 있어 다른 기술을 보이며 3차원 구동이 아닌 2차원 절삭가공이라는 제한을 가진다.

한편, 대한민국 공개특허공보 제특2000-0074737호 "2차원 진동절삭장치"는 두개의 압전소자에 의해 발생된 진동을 이용하여 공구의 타원형 이동궤적을 만들어 미세가공에서 보다 정밀한 형상을 가공하도록 하는 것이다. 상기 공구가 장착되는 공구부착부를 공구대와 일체로 연결형성하고, 상기 공구부착부와 공구대 사이에 압전소자를 설치하여 상기 압전소자에 의해 발생된 진동으로 공작물을 절삭하는 것이다. 이때, 상기 각각의 압전소자에서 상기 공구로 전달되는 진동이 서로 간섭을 일으키지 않도록 상기 공구부착부에 간섭회피홀를 상기 압전소자로부터 전달되는 진동의 방향을 따라 형성하였다. 이와 같은 구성의 본 발명에 의하면 공구의 이동궤적이 보다 정확하게 형성되어 보다 정밀한 가공기술을 제안하고 있다.

이와 같은 종래기술은 리프스프링과 같이 복원시켜 줄 수 있는 복원력의 시스템이 갖추어져 있지 않으므로 공구의 이송에 영향을 줄 수 있으며 이러한 복원력이 없는 구동으로 전,후,좌,우 운동이 직선운동을 하는 것이 아니라 일정한 각도를 가지며 움직임을 가지게 됨으로써 정확한 구동과 절삭이 어려운 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 가공대상물 표면의 깊이 방향으로의 구동변위에 따른 형상 가공은 물론 전,후,좌,우 방향으로의 구동변위에 따른 절삭 가공이 가능하므로, 최신 3D 미세패턴의 가공을 수행할 수 있는 3차원 가공을 위한 Fast Tool Servo의 멀티구동 메커니즘을 제공함에 목적이 있다.

특히, 본 발명은 두 축 방향의 동시 또는 개별 가공영역을 지니는 기능성을 가진 메카니즘으로써, 각 축이 독립적인 멀티 구동이 가능하며 이때 사용되는 리프스프링은 복원력이 뛰어나 가공시 직진도가 향상됨으로써 원하는 형태의 가공이 가능하도록 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 일정두께를 갖는 플레이트의 형태를 취하며 제 1관통홀 및 제 2관통홀을 갖는 메인바디와; 상기 제 1관통홀 및 제 2관통홀의 내부에 각각 장착되며, 외부로부터 전달된 전기신호에 의해 진동을 발생하는 제 1,2진동발생기와; 상기 메인바디의 귀퉁이부에 고정되되, 메인바디의 외측으로 돌출되는 절삭툴과; 상기 제 1,2진동발생기와 절삭툴의 사이에 형성되어, 제 1,2진동발생기의 진동력을 상기 절삭툴로 유도하는 진동전달부 및; 상기 제 2 관통홀과 대항되도록 상기 진동전달부의 측방에 배치되고 리프스프링을 포함하여 상기 진동전달부는 작동 후 상기 리프스프링에 의한 복원력을 받을 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 3차원 가공을 위한 Fast Tool Servo의 멀티구동 메커니즘에 있어서, 상기 리프스프링은 짧은 반지름인 중심축이 상기 제 2 관통홀의 중심축 상에 위치되고 긴 반지름인 중심축이 상기 제 1관통홀 중심축 상과 평행한 타원형의 홀에 의해 형성될 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 3차원 가공을 위한 Fast Tool Servo의 멀티구동 메커니즘에 있어서, 상기 제 1관통홀 및 제 2관통홀은, 그 길이방향 연장선이 상호 직교하도록 형성된 직사각 구멍이고, 상기 진동전달부는, 상기 제 1,2진동발생기의 출력 진동을 동시에 받을 수 있도록 상기 연장선의 교차부위에 위치할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 3차원 가공을 위한 Fast Tool Servo의 멀티구동 메커니즘에 있어서, 상기 진동전달부는; 상기 절삭툴의 주변에 형성되되 그 길이방향 단부가 인접하는 다수의 관통슬릿에 의해 둘러싸이며 상기 절삭툴을 고정하고 있는 진동체를 포함할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 3차원 가공을 위한 Fast Tool Servo의 멀티구동 메커니즘에 있어서, 상기 제 1,2진동발생기는, 외부로부터 인가된 전기신호에 의해 진동을 발생하는 초음파발진자일 수 있다.

본 발명에 의한 3차원 가공을 위한 Fast Tool Servo의 멀티구동 메커니즘에 따르면, 3차원 가공을 위한 Fast Tool Servo의 멀티구동 메커니즘은 두 축방향의 동시 또는 개별 가공영역을 지니는 기능성을 가진 메카니즘으로써, 각 축이 독립적인 멀티 구동이 가능하며 이때 사용되는 리프스프링으로 복원력이 뛰어나 직진도가 향상됨으로 원하는 형태의 가공이 가능하도록 한다.

도 1은 종래의 일반적인 미소절삭장치의 구조를 도시한 도면;
도 2은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3차원 가공을 위한 Fast Tool Servo의 멀티구동 메커니즘의 구성 및 동작을 설명하기 위한 도면;
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3차원 가공을 위한 Fast Tool Servo의 멀티구동 메커니즘의 리프스프링을 도시한 도면이다.

도 1에 종래의 미소절삭장치(11)를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래의 미소절삭장치(11)는, 바닥부(13b)와 벽부(13c)를 가지고 상부로 개방된 하우징(13)과, 하우징(13)의 상부에 고정되는 리프스프링(17)과, 하우징(13)의 내부공간(13a)에 수용되며 바닥부(13b)에 지지된 상태로 그 상단부가 리프스프링(17)의 저면에 고정되는 초음파발진자(15)와, 리프스프링(17)의 상부 중앙에 고정되는 절삭툴(19)로 구성된다.

초음파발진자(15)는, 외부로부터 인가된 전압의 크기에 따라 압축과 팽창을 반복하며, 길이방향인 화살표 z 방향 및 그 반대방향으로 진동한다. 상기 초음파발진자(15)의 진동폭이 가공 행정거리이다.

또한, 리프스프링(17)은, 홀더부(17a)와 스프링부(17b)를 갖는다. 홀더부(17a)는 벽부(13c)의 상단면에 결합하는 부분이고, 스프링부(17b)는 홀더부(17a)의 중앙부에 일체를 이루는 탄성부재이다. 스프링부(17b)는 초음파발진자(15)가 화살표 z 방향으로 팽창할 때 탄성 변형하며 밀려 올라가고, 초음파발진자(15)가 수축할 때는 자체 탄성 복원력에 의해 하강하며 처음 위치로 복원한다.

그런데 상기한 구조를 갖는 종래의 미소절삭장치(11)는, 절삭툴(19)이 z 축방향의 2차원적 운동밖에 할 수 없다는 한계가 있었다. 이는 하우징(13)내에 고정되어 있는 초음파발진자(15)와 절삭툴(19)이 일직선상에 위치하고, 또한, 하나의 초음파발진자(15)가 절삭툴(19)을 단지 전후진 시키는 구조를 가지기 때문이다.

이와 같이, 종래의 미소절삭장치(11)는 2차원적 절삭만 가능할 뿐 3차원적 절삭은 불가능하여 위에서 언급한 최근에 3D 미세패턴의 가공을 할 수 없어 최신 기술을 구현할 수 없는 것이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면 도 2 및 3에 의거하여 상세히 설명한다. 한편, 각 도면에서 종래기술로부터 용이하게 확인할 수 있는 진동발생기의 초음파를 발생시키는 기술, 벤딩부와 리프스프링을 제조하는 관련 기술 등 통상 본 발명에 적용되는 분야의 종사자들 및 그들이 관련분야의 종사자들을 통해 통상적으로 알 수 있는 부분들의 도시 및 상세한 설명은 생략하고, 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 도시 및 설명하였다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3차원 가공을 위한 Fast Tool Servo의 멀티구동 메커니즘의 구성 및 동작과 3차원 가공을 위한 Fast Tool Servo의 멀티구동 메커니즘의 리프스프링을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 미소절삭장치(51)는, 일정두께를 갖는 사각 플레이트의 형태를 취하며 제 1관통홀(53a) 및 제 2관통홀(53b)을 갖는 메인바디(53)와, 제 1,2관통홀(53a,53b)의 내부에 각각 장착되는 초음파발진자(15)와, 메인바디(53)의 귀퉁이부에 고정되며 메인바디(53)의 외측으로 돌출된 절삭툴(19)을 구비한다.

또한, 절삭툴(19)과 제 1,2관통홀(53a,53b)의 사이에 진동전달부(55)가 위치한다. 진동전달부(55)는 초음파발진자(15)의 진동력을 절삭툴(19)로 유도하여 절삭툴(19)이 3차원 절삭가공을 할 수 있게 한다. 즉 절삭툴(19)이 x축방향 및 y축 방향으로 변위 할 수 있게 한다.

먼저, 제 1관통홀(53a)과 제 2관통홀(53b)은 직사각형태의 관통구멍으로서, 서로에 대해 직교하는 방향으로 형성된다. 따라서 제 1,2관통홀(53a,53b)의 연장선은 직각으로 교차하게 된다. 연장선의 교차부위는 메인바디(53)의 귀퉁이부에 위치하며 귀퉁이부에는 진동전달부(55)가 위치한다.

초음파발진자(15)는 각각의 관통홀(53a,53b)에 끼워진 상태로 길이방향으로 진동하여 진동전달부(55)를 화살표 x 방향 및 y방향으로 밀어낸다. 진동전달부(55)가 두 개의 초음파발진자(15)의 출력 진동을 동시에 받을 수 있는 것이다.

진동전달부는(55)는, 절삭툴(19)의 주변에 형성되되 그 길이방향 단부가 인접하는 제 1,2관통슬릿(53f,53e)과, 제 1,2관통슬릿(53f,53e)에 둘러싸이며 절삭툴(19)을 고정하고 있는 진동체(54)를 포함한다.

제 1관통슬릿(53f)은 절삭툴(19)의 양측부에 나란하게 형성된 일정폭의 슬릿으로서 메인바디(53)의 외측으로 개방되어 있다. 제 1관통슬릿(53f)은 제 1관통홀(53a)과 나란하다.

또한, 제 2관통슬릿(53e)은 대략 ㄱ자로 절곡된 형태의 슬릿으로서, 제 1관통슬릿(53f)의 연장단부로부터 시작하여 제 1관통홀(53a)을 향해 연장되다가 안쪽으로 절곡된 형태를 취한다.

제 1,2관통슬릿(53f,53e)는 서로에 대해 단절되어 그 사이에 벤딩부(53m,53n)를 제공한다. 벤딩부(53m,53n)는, 제 1관통슬릿(53f)과 제 2관통슬릿(53e) 사이의 제 2벤딩부(53n)와, 제 2관통슬릿(53e) 사이의 제 1벤딩부(53m)이다.

제 1,2벤딩부(53m,53n)는, 초음파발진자(15)의 작동시 물리적으로 변형되는 부분이다. 즉 초음파발진자(15)로부터 전달된 화살표 x방향 및 y방향의 힘에 의해 벤딩되며 진동체(54)에 진동력을 전달하여 절삭툴(19)이 진동하게 하는 것이다.

도 3을 참조하면, 리프스프링(57)은 제 2 관통홀(53b)과 대항되도록 상기 진동전달부(55)의 측방에 배치되고, 타원형 홀(56)에 의해 형성되는 리프스프링(57)으로써, 짧은 반지름인 중심축이 상기 제 2 관통홀(53b)의 중심축 상에 위치되고 긴 반지름인 중심축이 상기 제 1 관통홀(53a) 중심축 상과 평행한 타원형 홀(56)에 의해 형성되어 진동전달부의 운동을 복원시켜 공구의 이송을 용이하게 한다.

이와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미소절삭장치(51)는, 두 개의 초음파발진자(15)를 가져, 절삭툴(19)이 두 축(x축 및 y축) 방향으로 동시에 변위가 가능하므로 3차원 가공이 가능한 것이다. 또한, 두 개의 초음파발진자(15)의 주파수를 달리했을 때, 두 개의 초음파 발진자(15)는 개별운동이 가능하며 리프스프링(57)의 구성으로 복원력이 좋아 진직도가 향상되며 좌우측 진동이 매우 감소함으로 원하는 형태의 가공이 가능하다.

상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3차원 가공을 위한 Fast Tool Servo의 멀티구동 메커니즘을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경가능하다는 것을 이 분야의 통상의 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

11:미소절삭장치 13:하우징 13a:내부공간
13b:바닥부 13c:벽부 15:초음파발진자
17:리프스프링 17a:홀더부 17b:스프링부
19:절삭툴
51:미소절삭장치 53:메인바디 53a:제 1관통홀
53b:제 2관통홀 53e:제 2관통슬릿 53f:제 1관통슬릿
53m:제 1벤딩부 53n:제 2벤딩부 54:진동체
55:진동전달부 56:타원형 홀 57:리프스프링

Claims (5)

1. 일정두께를 갖는 플레이트의 형태를 취하며 제 1관통홀 및 제 2관통홀을 갖는 메인바디와;
   상기 제 1관통홀 및 제 2관통홀의 내부에 각각 장착되며, 외부로부터 전달된 전기신호에 의해 진동을 발생하는 제 1,2진동발생기와;
   상기 메인바디의 귀퉁이부에 고정되되, 메인바디의 외측으로 돌출되는 절삭툴과;
   상기 제 1,2진동발생기와 절삭툴의 사이에 형성되어, 제 1,2진동발생기의 진동력을 상기 절삭툴로 유도하는 진동전달부 및;
   상기 제 2 관통홀과 대항되도록 상기 진동전달부의 측방에 배치되고 리프스프링을 포함하여 상기 진동전달부는 작동 후 상기 리프스프링에 의한 복원력을 받으며, 상기 리프스프링은 짧은 반지름인 중심축이 상기 제 2 관통홀의 중심축 상에 위치되고 긴 반지름인 중심축이 상기 제 1관통홀 중심축 상과 평행한 타원형의 홀에 의해 형성되고, 상기 리프스프링(57)은 제 2 관통홀(53b)과 대항되도록 상기 진동전달부(55)의 측방에 배치되고, 타원형 홀(56)에 의해 형성되는 리프스프링(57)으로써, 짧은 반지름인 중심축이 상기 제 2 관통홀(53b)의 중심축 상에 위치되고 긴 반지름인 중심축이 상기 제 1 관통홀(53a) 중심축 상과 평행한 타원형 홀(56)에 의해 형성되어 진동전달부의 운동을 복원시키며,
   상기 제 1관통홀 및 제 2관통홀은, 그 길이방향 연장선이 상호 직교하도록 형성된 직사각 구멍이고, 상기 진동전달부는, 상기 제 1,2진동발생기의 출력 진동을 동시에 받을 수 있도록 상기 연장선의 교차부위에 위치하는 것을 특징으로 하는 3차원 가공을 위한 Fast Tool Servo의 멀티구동 메커니즘.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 진동전달부는;
   상기 절삭툴의 주변에 형성되되 그 길이방향 단부가 인접하는 다수의 관통슬릿에 의해 둘러싸이며 상기 절삭툴을 고정하고 있는 진동체를 포함하고, 상기 제 1,2진동발생기는, 외부로부터 인가된 전기신호에 의해 진동을 발생하는 초음파발진자인 것을 특징으로 하는 3차원 가공을 위한 Fast Tool Servo의 멀티구동 메커니즘.
   
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