KR101532407B1 - 3차원 미소절삭장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 미소절삭장치에 관한 것이다. 이는 메인바디와; 상기 메인바디에 고정되며 지지력을 제공하는 지지부와; 상기 지지부에 대해 이격 배치되는 진동부와; 상기 지지부와 진동부를 연결하며 진동부를 탄력 지지하는 탄성부재와; 상기 진동부에 링크되며 진동부를 진동시키는 진동발생기와; 상기 진동부에 착탈 가능하게 장착되는 절삭툴을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명의 3차원 미소절삭장치는, 가공대상물 표면의 깊이 방향으로의 구동변위에 따른 형상 가공은 물론 좌우 폭방향으로의 구동변위에 따른 절삭 가공이 가능하므로, 최신 3D 미세패턴의 가공을 효과적으로 수행 할 수 있다.

Description

3차원 미소절삭장치{Fast Tool Servo for 3-Dimensional cutting work}

본 발명은 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.

상기 미소절삭장치는 빠른 주파수 응답특성을 가지면서 정밀 이송이 가능한 통상의 고주파 발진자나, 피에조엑츄에이터를 포함하는 초음파 원리를 모두 지칭하는, 초음파 발진자를 이용해 절삭공구를 미세 진동시켜 소재를 가공하는 장치로서, 가공 중 실시간으로 운동오차를 보정할 수 있어 초정밀 제품 제작에 적극 사용되고 있다.

도 1에 종래의 미소절삭장치(11)를 도시하였다.

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

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

또한, 상기 리프스프링(17)은, 홀더부(17a)와 스프링부(17b)를 갖는다. 상기 홀더부(17a)는 벽부(13c)의 상단면에 결합하는 부분이고, 스프링부(17b)는 상기 홀더부(17a)의 중앙부에 일체를 이루는 탄성부재이다. 상기 스프링부(17b)는 초음파 발진자(15)가 화살표 z 방향으로 팽창할 때 탄성 변형하며 밀려 올라가고, 초음파 발진자(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 초음파 발진자(15)와 절삭툴(19)이 일직선상에 위치하고, 또한, 하나의 초음파 발진자(15)가 절삭툴(19)을 단지 전후진 시키는 구조를 가지기 때문이다.

이와같이, 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.

본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 창출한 것으로서, 가공대상물 표면의 깊이 방향으로의 구동변위에 따른 형상 가공은 물론 좌우 폭방향으로의 구동변위에 따른 절삭 가공이 가능하므로, 최신 3D 미세패턴의 가공을 수행 할 수 있는 3차원 미소절삭장치를 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3차원 미소절삭장치는, 메인바디와; 상기 메인바디에 고정되며 지지력을 제공하는 지지부와; 상기 지지부에 대해 이격 배치되는 진동부와; 상기 지지부와 진동부를 연결하며 진동부를 탄력 지지하는 탄성부재와; 상기 진동부에 링크되며 진동부를 진동시키는 진동발생기와; 상기 진동부에 착탈 가능하게 장착되는 절삭툴을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 진동부는; 상기 지지부를 그 내부 영역에 수용하는 일정 내경의 수용구를 갖는 진동체와, 상기 진동체의 외측부에 구비되되, 상기 지지부를 사이에 두고 절삭툴의 반대편에 위치하며, 상기 진동발생기로부터 진동력을 전달받아 진동체가 상기 고정부를 중심으로 시계방향 및 그 반대방향으로 진동하게 하는 아암을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 지지부는; 일정직경을 가지며 원통의 형태를 취하는 지지허브이고, 상기 진동체가 갖는 수용구의 내주면과 지지허브의 외주면은 상호 대향하며 일정간격 이격된 상태로 상기 탄성부재를 통해 연결된 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 탄성부재는; 일단부가 상기 지지허브에 고정되고 타단부가 수용구의 내주면에 고정되되, 다수개가 지지허브의 중심을 기준으로 대칭으로 배치되어 있는 리프스프링인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 진동체에는, 상기 절삭툴을 위치조절 가능하게 지지하는 툴고정부가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 진동발생기는; 외부로부터 전달된 전기신호에 의해 팽창과 수축을 반복하는 초음파 발진자인 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3차원 미소절삭장치는, 지지력을 제공하는 메인바디와; 상기 메인바디에 일단이 고정되는 지지허브와; 가공을 위한 절삭툴이 결합되고, 상기 지지허브의 타단에 결합되어 지지되는 진동체; 상기 진동체에 링크되어 진동을 출력하는 진동발생기 및; 상기 진동 발생기에 의해 움직인 상기 진동체가 원위치 되도록 하는 탄성부재를 포함하되; 상기 진동체는 상기 지지허브에 의해 지렛대 구조로 상기 메인바디에 지지되고, 상기 진동 발생기는 상기 절삭툴의 반대축에서 상기 진동체에 진동을 부여함으로써, 진동이 부여되는 방향과 평행한 양방향으로 상기 절삭툴이 구동 되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 지지허브는 상기 진동체와 연결되어 진동에 의한 상기 진동체의 움직임의 중심축을 이룰 수 있도록 하는 유연한 힌지구조로 설치되고, 상기 진동 발생기는 상기 진동체의 일측에 설치되고, 상기 탄성부재는 상기 진동발생기의 반대측에서 상기 진동체와 접속되도록 상기 메인바디에 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 진동발생기는 외부로부터 전달된 전기신호에 의해 팽창과 수축을 반복하는 초음파 발진자인 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 3차원 미소절삭장치는, 가공대상물 표면의 깊이 방향으로의 구동변위에 따른 형상 가공은 물론 좌우 폭방향으로의 구동변위에 따른 절삭 가공이 가능하므로, 최신 3D 미세패턴의 가공을 효과적으로 수행 할 수 있다.

도 1은 종래의 일반적인 미소절삭장치의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 3차원 미소절삭장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 상기 도 2에 도시한 지지허브와 진동체의 구조를 나타내 보인 사시도이다.
도 4는 상기 도 2에 도시한 3차원 미소절삭장치의 작동원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 상기 도 2에 도시한 미소절삭장치에서의 절삭공구의 위치에 따른 변위특성을 나타내 보인 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 좌,우 구동을 하는 3차원 미소절삭장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 6에 도시한 미소절삭장치에서의 절삭공구의 위치에 따른 변위특성을 나타내 보인 도면이다.
도 8은 도 6에 도시한 미소절삭장치에서의 절삭공구의 구동에 따른 진폭변화를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 여러 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

기본적으로 본 발명에 따른 미소절삭장치는, 구비되어 있는 절삭툴을 3차원 방향으로 미세 진동시킬 수 있는 구조를 가져, 일반 단순 절삭에서부터 복잡한 곡면절삭까지 가능한 특징을 갖는 것이다.

도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 3차원 미소절삭장치(31)의 전체적인 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 상기 도 2에 도시한 지지허브(39a)와 진동체(39b) 등을 별도로 도시한 사시도이다.

도시한 바와같이, 제 1실시예에 따른 3차원 미소절삭장치(31)는, 프레임의 역할을 하는 메인바디(33)와, 상기 메인바디(33)의 일측부에 고정되며 지지력을 제공하는 원통형 지지허브(39a)와, 상기 지지허브(39a)에 대해 이격 배치되는 진동체(39b)와, 상기 지지허브(39a)와 진동체(39b)를 연결하며 진동체(39b)를 탄력 지지하는 리프스프링(39d)과, 상기 진동체(39b)에 링크되며 진동을 출력하는 초음파 발진자(15)와, 상기 진동체(39b)에 장착되는 절삭툴(19)을 구비한다.

먼저, 상기 메인바디(33)는, 상기 지지허브(39a)와 진동체(39b)와 초음파 발진자(15)를 상호 작용할 수 있도록 한 평면상에 지지한다. 아울러 상기 메인바디(33)는 이를테면 절삭머신의 공구대 등에 장착할 수 있다.

상기 지지허브(39a)는, 일정직경을 갖는 실린더형 부재로서, 상기 메인바디(33)에 대해 견고히 고정되어 있다. 상기 지지허브(39a)가 진동체(39b)를 지지하는 것이니 만큼 흔들리면 정밀성이 크게 저하하기 때문이다.

또한, 상기 진동체(39b)는, 대략 그 중앙부에 일정내경의 수용구(39c)를 갖는 판상부재로서, 상단에는 평평한 형상의 자유단면(39k)이 마련되어 있고 하단부에는 아암(39e)이 구비되어 있다.

상기 수용구(39c)의 내경은 지지허브(39a)의 외경보가 크다. 또한 수용구(39c)의 내주면은 지지허브(39a)의 외주면에 대향하며 일정간격 이격되어 있다. 상기 지지허브(39a)가 수용구(39c)의 내부 중심부에 위치하는 것이다.

특히 상기 지지허브(39a)의 외주면과 진동체(39b)의 내주면 사이에는 다수의 리프스프링(39d)이 구비된다. 상기 리프스프링(39d)은 일정두께를 갖는 판스프링으로서, 지지허브(39a)의 중심을 기준으로 대칭을 이룬다.

상기 리프스프링(39d)은 지지허브(39a)에 대해 진동체(39b)를 탄성 지지하는 부재로서, 상기 초음파 발진자(15)가 화살표 s 방향으로 진동함에 따라, 진동체(39b)가 도 4의 (a) 또는 (b) 방향으로 회전했을 때, 진동체(39b)를 처음의 위치로 복원시키는 역할을 한다. 상기 리프스프링(39d)에 의해 진동체(39b)가 도 4b의 상태를 유지할 수 있는 것이다.

상기 리프스프링(39d)의 탄성계수는 필요에 따라 얼마든지 달라질 수 있고, 적용 개수도 변경 가능함은 당연하다.

상기 진동체(39b)의 하부에 구비되어 있는 아암(39e)은 상기 지지허브(39a)의 도면상 연직 하부에 고정된 막대형 부재로서 연결부재(37)를 통해 초음파 발진자(15)에 링크된다. 상기 아암(39e)은 진동체(39b)에 대해 착탈 가능하게 장착할 수 있다.

상기 초음파 발진자(15)는 외부로부터 인가된 전기신호에 의해 진동을 발생하는 진동발생수단으로서 상기 아암(39e)의 측부에 아암(39e)에 대해 직교하는 방향으로 배치되며 화살표 s 방향으로 팽창 및 수축운동을 한다. 아울러 상기 초음파 발진자(15)의 후단부는 홀더(35)를 통해 메인바디(33)에 고정된다.

상기와 같이 초음파 발진자(15)의 후단부가 홀더(35)에 고정되어 있고, 전단부가 아암(39e)에 링크되어 있으므로, 초음파 발진자(15)가 동작하면, 진동체(39b)가 (지지허브(39a)를 중심으로0 시계방향 및 반시계방향으로 진동하게 된다.

한편, 상기 자유단면(39k)에는 다수의 툴고정부(39f)가 마련되어 있다. 상기 툴고정부(39f)는 자유단면(39k) 상에 일렬로 배열된 홈으로서, 절삭툴(19)을 수용 고정한다. 이와 같이 툴고정부(39f)를 다수개 마련함으로써, 자유단면(39k)의 범위 내에서 절삭툴(19)의 위치를 변경할 수 있다. 또는 다수의 절삭툴(19)을 동시에 끼워 사용할 수도 있다. 가령 도 2의 화살표 a 방향 또는 b 방향으로 위치 조절이 가능한 것이다.

상기 절삭툴(19)은 가령 공업용 다이아몬드팁이 구비된 절삭공구로서, 상기 툴고정부(39f)에 선택적으로 끼워져 결합된 상태로 절삭을 수행한다.

본 실시예에서는 상기 툴고정부(39f)로서 다수의 홈을 예로 들었지만, 절삭툴(19)을 고정하고 특히 절삭툴의 위치를 조절할 수 있는 한, 그 구조를 다양하게 변경할 수 있음은 물론이다.

도 4는 상기 도 2에 도시한 3차원 미소절삭장치(31)의 작동원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 상기 도 4에 도시한 미소절삭장치에서의 절삭툴(19)의 위치에 따른 변위특성을 나타내 보인 도면이다.

도 4의 b에 도시한 진동체(39)에는 3개의 절삭툴(19)(A,B,C)이 적용되어 있다. 상기 진동체(39)는 초음파 발진자(15)의 작동에 따라 각도 ΔR의 범위내에서 시계방향 및 반시계방향으로 진동한다.

이와같은 진동체(39)의 진동시 상기 절삭툴(19)은 그 위치에 따라 X축방향(좌,우) 및 X,Z축(전/후,좌/우 방향)으로 변위한다.

특히 상기 절삭툴(19)은 그 위치에 따라 변위패턴이 달라진다. 도 5a는 절삭툴 A의 변위패턴이고, 도 5b는 절삭툴 B, 도 5c는 절삭툴 C의 변위패턴이다.

상기 절삭툴 B의 경우, X방향으로 마이크로 변위가 발생하고 Z방향의 변위는 나노급으로 오차량은 극히 미미하다. 또한 절삭툴 A와 절삭툴 C의 경우 X축과 Z축 두 방향으로 변위한다. 이는 본 실시예의 미소절삭장치로, 한 축 방향과 두 축 방향의 동시가공이 가능하고 절삭툴의 위치에 따라 가공변위를 자유롭게 구사할 수 있음은 물론 대상물에 대한 입체적 가공 즉, 3차원 절삭가공이 가능함을 의미한다.

도 6은 전술한 실시예 와는 달리, 좌,우로 구동하는 3차원 미소절삭창치의 구성을 보여주는 도면으로, 지지력을 제공하는 메인바디(33)를 가지고 유연한 힌지구조인 지지허브(39a)는 메인바디(33)에 일단이 고정된다. 절삭툴(19)이 결합되고, 지지허브(39a)의 타단에 결합되는 진동체(39b)를 가지며 진동체(39b)에 지렛대의 구조로 진동에 의한 진동체(39b)의 움직임의 중심축을 이룰 수 있도록 하는 지지허브(39a)를 갖는다. 이러한 진동체(39b)의 일측에 진동발생기인 초음파 발진자(15)가 설치되고 진동 발생기의 반대측에 진동체(39b)와 접속된 커넥트부(21)를 갖는다. 커넥트부(21)는 메인바디(33)에 수용구(39c)를 두어 비교적 간단하게 구성할 수 있는 얇은 리프스프링(39d)과 접속되며, 초음파 발진자(15)가 팽창시 변화된 변위는 수축시 리프스프링(39d)에 의해 복원되는 형태를 보여주고 있다. 전술한 실시예와 비교하여 가공변위를 자유롭게 구사할 수 있음은 물론 대상물에 대한 입체적 가공 즉, 3차원 절삭가공이 가능한 작용과 효과 부분은 동일함으로 상세한 설명은 생략한다.

도 7 및 도 8은 구동에 따른 변화에 대한 도면으로, 도 7은 미소절삭장치에서의 절삭공구의 위치에 따른 변위 특성을 보여주는 도면이다. 좌우 구동 거리 S를 가정하였을때, 회전각에 따라 x만큼의 변위가 생긴다. 이러한 변위가 얼만큼인지를 계산한 것을 도 8을 통해 알 수 있다. 도 8에서 절삭공구의 구동에 따른 진폭의 변화를 보면 수십나노단위의 극히 미소한 오차량으로 좌,우로 구동하기에 충분한 메커니즘이다. 또한, 가공툴의 위치에 따라 가공물의 방향으로도 구동이 가능하다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정하지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

11:미소절삭장치 13:하우징 13a:내부공간
13b:바닥부 13c:벽부 15:초음파 발진자
17:리프스프링 17a:홀더부 17b:스프링부
19:절삭툴 21:커넥터부 31:미소절삭장치
33:메인바디 35:홀더 37:연결부재
39a:지지허브 39b:진동체 39c:수용구
39d:리프스프링 39e:아암 39f:툴고정부
39k:자유단면

Claims (9)

1. 메인바디와;
   상기 메인바디에 고정되며 지지력을 제공하는 지지허브와;
   상기 지지허브에 이격배치되는 진동체와;
   상기 지지허브와 진동체를 연결하며 진동체를 탄력 지지하는 탄성부재와;
   상기 진동체에 링크되며 진동을 출력하고, 외부로부터 전달된 전기신호에 의해 팽창과 수축을 반복하는 초음파 발진자인 것을 특징으로 하는 진동발생기와;
   상기 진동체에 착탈 가능하게 장착되는 절삭툴을 포함하고,
   상기 진동체는, 상기 지지허브를 그 내부 영역에 수용하는 일정 내경의 수용구를 가지고,
   상기 진동체의 외측부에는, 상기 지지허브를 사이에 두고 절삭툴의 반대편에 위치하며, 상기 진동발생기로부터 진동력을 전달받아 진동체가 상기 지지허브를 중심으로 시계방향 및 그 반대방향으로 진동하게 하는 아암을 구비하며,
   상기 지지허브는 일정직경의 원통형 부재이고,
   상기 진동체가 갖는 수용구의 내주면과 지지허브의 외주면은 상호 대향하며 일정간격 이격된 상태로 상기 탄성부재를 통해 연결되고,
   상기 탄성부재는; 일단부가 상기 지지허브에 고정되고 타단부가 수용구의 내주면에 고정되되, 다수개가 지지허브를 중심으로 대칭으로 배치되어 있는 리프스프링이고,
   상기 초음파 발진자(15)는 외부로부터 인가된 전기신호에 의해 진동을 발생하는 진동발생수단으로서 상기 아암(39e)의 측부에 아암(39e)에 대해 직교하는 방향으로 배치되어 팽창 및 수축운동을 하고, 상기 초음파 발진자(15)의 후단부는 홀더(35)를 통해 메인바디(33)에 고정되고, 전단부가 아암(39e)에 링크되어 있으므로, 초음파 발진자(15)가 동작하면, 진동체(39b)가 지지허브(39a)를 중심으로 시계방향 및 반시계방향으로 진동하는 것을 특징으로 하는 3차원 미소절삭장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 진동체에는, 상기 절삭툴을 위치조절 가능하게 지지하는 툴고정부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 3차원 미소절삭장치.
   
3. 지지력을 제공하는 메인바디와;
   상기 메인바디에 일단이 고정되는 지지허브와;
   가공을 위한 절삭툴이 결합되고, 상기 지지허브의 타단에 결합되어 지지되는 진동체;
   상기 진동체에 링크되어 진동을 출력하는 진동발생기 및;
   상기 진동 발생기에 의해 움직인 상기 진동체가 원위치 되도록 하는 탄성부재를 포함하되;
   상기 진동체는 상기 지지허브에 의해 지렛대 구조로 상기 메인바디에 지지되고, 상기 진동 발생기는 상기 절삭툴의 반대축에서 상기 진동체에 진동을 부여함으로써, 진동이 부여되는 방향과 평행한 양방향으로 상기 절삭툴이 구동 되도록 하는 것을 특징으로 하고,
   상기 진동발생기는 외부로부터 전달된 전기신호에 의해 팽창과 수축을 반복하는 초음파 발진자이고,
   상기 초음파 발진자(15)는 외부로부터 인가된 전기신호에 의해 진동을 발생하는 진동발생수단으로서 상기 아암(39e)의 측부에 아암(39e)에 대해 직교하는 방향으로 배치되어 팽창 및 수축운동을 하고, 상기 초음파 발진자(15)의 후단부는 홀더(35)를 통해 메인바디(33)에 고정되고, 전단부가 아암(39e)에 링크되어 있으므로, 초음파 발진자(15)가 동작하면, 진동체(39b)가 지지허브(39a)를 중심으로 시계방향 및 반시계방향으로 진동하는 것을 특징으로 하고,
   상기 지지허브는 상기 진동체와 연결되어 진동에 의한 상기 진동체의 움직임의 중심축을 이룰 수 있도록 하는 유연한 힌지구조로 설치되고,
   상기 진동 발생기는 상기 진동체의 일측에 설치되고,
   상기 탄성부재는 상기 진동발생기의 반대측에서 상기 진동체와 접속되도록 상기 메인바디에 설치되는 것을 특징으로 하는 3차원 미소절삭장치.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제

Images