KR101608811B1 - 공구 위치 측정 장치 - Google Patents

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김성철
장만석
최재구
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(주)에스제이엔
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Abstract

본 발명은, 작업 대상물 상에 미세 패턴을 형성하기 위하여 공구 홀더 상에 고정되는 공구의 위치를 측정하는 장치로서, 패턴 형성용 공구에 대하여 레이저를 조사하고 상기 공구에서 반사된 상기 레이저를 수광하는 레이저 센서; 상기 레이저 센서에서 조사된 레이저와 수광된 상기 레이저를 비교하여 이에 해당하는 제어 신호를 출력하는 비교부; 상기 레이저 센서가 배치되고 상기 비교부의 제어 신호에 따라 기준 위치에서 X, Y, Z 축 상으로 이동하는 이동부; 및 상기 이동부의 이동값을 이용하여 상기 패턴 형성용 공구의 위치를 측정하는 위치 측정부; 를 포함하는 공구 위치 측정 장치를 제공한다.
본 발명은, 미세 패턴 형성을 위해 패턴 형성용 공구를 공구 홀더 상에 장착한 후, 레이저를 이용하여 패턴 형성용 공구의 위치를 측정할 수 있다.

Description

공구 위치 측정 장치{Apparatus for tool position measurement}
본 발명은 공구 위치 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저를 이용하여 공구의 위치를 측정할 수 있는 공구 위치 측정 장치에 관한 것이다.
대한민국 등록특허 10-0778534호에는 가공 대상인 롤의 외주면 상에 패턴홈을 형성하는 장치와 형성 방법이 개시되어 있다.
상기한 기술을 살펴보면, 소정의 크기를 갖는 롤의 외주면에 가공바이트를 접촉시킨 후, 롤을 회전시키며 필요한 패턴홈을 형성하고 있다.
도 1은 일반적인 패턴 형성 장치에서 사용하는 공구의 일 예를 나타내는 도면으로서, 패턴 형성용 공구(1)가 공구 홀더(미도시) 상에 소정 상태로 고정되어 있음을 나타내고 있다.
이때, 공구(1)는 공구 홀더 상에 소정의 돌출 정도로서 정확히 고정되어 있을 때, 작업 대상물 상에 정확한 패턴홈을 형성할 수 있다.
따라서, 상기한 선행 기술은 패턴홈의 형성을 위해, 패턴을 형성하는 공구인 가공바이트의 위치를 검출하는 구성 요소를 사용하고 있다. 이는, 정확한 패턴홈 형성을 위해, 가공바이트를 교체하고 가공이 시작하기 전에 새롭게 교체된 가공바이트가 필요로 하는 공구 홀더 상의 필요 위치에 정확하게 배치되어 있는지 검출하기 위함이다. 특히, 가공되는 패턴의 폭이 0.1 내지 0.4㎛인 경우에는 공구의 위치 검출의 필요성이 더욱 커진다.
여기서, 공구의 위치 검출에는 공구에 직접 접촉하여 공구의 위치를 검출하는 접촉식, 공구에 대한 영상을 얻고 영상의 이동을 검출하여 공구의 위치를 검출하는 광학식이 널리 사용되고 있다.
접촉식의 공구 위치 검출은 위치 검출 대상인 공구에 직접 접촉을 필요로 하므로, 위치 검출 기구가 검출 대상인 공구에 접촉하는 접촉압에 의해 공구가 파손되는 문제점이 있다.
광학식의 공구 위치 검출은 위치 검출 대상인 공구의 영상을 얻는 렌즈의 정림도와 영상 소자의 화소수에 따라 공구 위치 검출 정밀도가 변화되므로, 도 1에서와 같이 공구(1)의 팁 부분이 명확히 나타나지 않는 등, 위치를 검출할 수 있는 공구의 크기가 10㎛ 정도로 제한되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 미세 패턴 형성을 위해 패턴 형성용 공구를 공구 홀더 상에 장착한 후, 레이저를 이용하여 패턴 형성용 공구의 위치를 측정할 수 있는 공구 위치 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 작업 대상물 상에 미세 패턴을 형성하기 위하여 공구 홀더 상에 고정되는 공구의 위치를 측정하는 장치로서, 패턴 형성용 공구에 대하여 레이저를 조사하고 상기 공구에서 반사된 상기 레이저를 수광하는 레이저 센서; 상기 레이저 센서에서 조사된 레이저와 수광된 상기 레이저를 비교하여 이에 해당하는 제어 신호를 출력하는 비교부; 상기 레이저 센서가 배치되고 상기 비교부의 제어 신호에 따라 기준 위치에서 X, Y, Z 축 상으로 이동하는 이동부; 및 상기 이동부의 이동값을 이용하여 상기 패턴 형성용 공구의 위치를 측정하는 위치 측정부; 를 포함하는 공구 위치 측정 장치를 제공한다.
상기 레이저 센서는, 상기 레이저를 발광하는 발광 센서와, 상기 발광 센서에 이웃하여 배치되고, 상기 패턴 형성용 공구에서 반사된 상기 레이저를 수광하고 수광에 따른 신호를 출력하는 수광 센서를 포함할 수 있다.
상기 발광 센서에서 발광되는 상기 레이저의 광속 직경은 상기 패턴 형성용 공구의 폭보다 작을 수 있다.
상기 발광 센서에서 발광되는 상기 레이저의 광속 직경은 0.9㎛ 일 수 있다.
상기 작업 대상물에 대한 상기 발광 센서와 상기 수광 센서의 각도는 서로 동일할 수 있다.
상기 비교부는, 상기 발광 센서에서 발광되는 상기 레이저의 광속과 상기 수광 센서에서 수광된 상기 레이저의 광속의 크기를 비교할 수 있다.
상기 비교부는, 상기 수광 센서에서 수광된 상기 레이저의 광속이 0이면, 상기 이동부가 Y축 상으로 이동하도록 하고, 상기 수광 센서에서 수광된 상기 레이저의 광속이 0 보다 크고, 상기 발광 센서에서 발광된 상기 레이저의 광속보다 작으면, 상기 이동부가 X축 상으로 이동하도록 하며, 상기 수광 센서에서 수광된 상기 레이저의 광속이 상기 발광 센서에서 발광된 상기 레이저의 광속과 같으면, 상기 이동부가 정지할 수 있다.
상기 위치 측정부는, 상기 이동부의 이동이 정지하면, 상기 이동부와 상기 패턴 형성용 공구와의 거리와 상기 패턴 형성용 공구의 위치를 연산하여 출력할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 미세 패턴 형성을 위해 패턴 형성용 공구를 공구 홀더 상에 장착한 후, 레이저를 이용하여 패턴 형성용 공구의 위치를 측정할 수 있다.
도 1은 일반적인 패턴 형성 장치에서 사용하는 공구의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공구 위치 측정 장치를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명에서 사용되는 레이저 센서, 이동부 및 위치 측정부의 연결 관계를 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명에서 사용되는 레이저 센서와 공구의 위치 관계를 나타내는 도면이다.
도 5와 도 6은 본 발명의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 레이저 센서에서 발광되는 레이저의 광속보다 작은 공구의 위치 검출을 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공구 위치 측정 장치를 나타내는 사시도이다. 또한, 도 3은 본 발명에서 사용되는 레이저 센서, 이동부 및 위치 측정부의 연결 관계를 나타내는 블록도이다.
도 2와 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공구 위치 측정 장치(100)는 레이저 센서(110), 비교부(120), 이동부(130) 및 위치 측정부(140)를 포함한다.
레이저 센서(110)는 패턴 형성용 공구(1)에 대하여 레이저를 조사하고, 패턴 형성용 공구(1)에서 반사된 레이저를 수광하여, 패턴 형성용 공구(1)의 위치를 검출할 수 있도록 한다.
도면 상에서, 레이저 센서(110)는 후술하는 이동부(130)의 전면 중앙으로 배치되지만, 배치 위치는 이에 한정되지 않고 사용자의 필요에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
레이저 센서(110)는 패턴 형성용 공구에 대하여 레이저를 발광하여 조사하는 발광 센서(110A)와 발광 센서(110A)에서 발광되어 조사된 후, 패턴 형성용 공구(1)에서 반사되는 레이저를 수광하고 수광에 따른 신호를 출력하는 수광 센서(110B)를 포함한다.
발광 센서(110A)에서 발광되는 레이저의 광속 직경은 패턴 형성용 공구(1)의 폭보다 작은 것이 바람직하다. 본 실시예에서, 발광 센서(110A)에서 발광되는 레이저의 광속 직경은 0.9㎛ 일 수 있다. 여기서, 패턴 형성용 공구(1)의 팁(tip)의 폭은 적어도 1.0㎛ 이상인 것이 바람직하다.
발광 센서(110A)에서 발광되는 레이저는 패턴 형성용 공구(1)의 표면에서 반사될 수 있다면 사용자의 필요에 따라 다양한 종류가 사용될 수 있다. 다만, 레이저의 출력은 공구에 손상을 주지 않는 정도로 제한된다. 또한, 본 실시예에서, 레이저의 파장은 405nm이다.
도 4는 본 발명에서 사용되는 레이저 센서와 공구의 위치 관계를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 수광 센서(110B)는 발광 센서(110A)의 일측으로 이웃하여 배치된다. 본 실시예에서, 발광 센서(110A)와 수광 센서(110B)는 후술하는 이동부(130) 상에서 패턴 형성용 공구(1)를 향하여 소정의 각도로서 배치된다. 즉, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 발광 센서(110A)와 수광 센서(110B)는 패턴 형성용 공구(1)에 대하여 소정의 각도로 향하여 배치되되, 발광 센서(110A)와 수광 센서(110B)가 패턴 형성용 공구(1)로 향하는 각도는 서로 동일하게 설정된다.
수광 센서(110B)는 레이저를 수광하고 이에 해당하는 신호를 출력한다. 여기서, 수광 센서(110B)는 수광된 레이저의 광속과 발광 센서(110A)에서 발광된 레이저의 광속을 비교하여, 그 비교 결과에 대응하는 신호를 출력한다.
즉, 발광 센서(110A)에서 발광된 레이저의 광속이 0.9㎛ 일때, 수광 센서(110B)가 검출한 광속이 0.9㎛ 라면, 공구(1)가 검출된 것으로 판단하고, 이에 대한 신호를 출력한다.
또한, 발광 센서(110A)에서 발광된 레이저의 광속이 0.9㎛ 일때, 수광 센서(110B)에서 수광된 레이저의 광속이 0 이면, 공구(1)가 검출되지 않은 것으로 판단하고, 이에 대한 신호를 출력한다.
이동부(130) 상에는 레이저 센서(110)가 배치되고, X, Y, Z 축 방향으로 이동가능하게 구성된다. 이동부(130)는 X, Y, Z 축 방향으로 이동가능하도록 구동력을 발생시키는 모터(미도시)를 포함한다. 그리고, 이동부(130)는 이동부(130)의 이동 정도에 해당하는 신호를 출력할 수 있다. 이를 위해 이동부(130)는 모터의 동작 정도를 측정하는 엔코더(encoder)를 포함할 수 있다.
이동부(130)에서 출력되는 신호는 후술하는 위치 측정부(140)로 입력된다.
위치 측정부(140)는 레이저 센서(110)와 이동부(130)에서 출력되는 신호를 입력받고, 이를 이용하여 패턴 형성용 공구의 위치를 환산하여 출력한다.
이를 보다 상세히 살펴보기로 한다.
위치 측정부(140)는 소정의 저장부가 설정되고 있고, 저장부는 패턴 형성용 공구의 기준 위치에 대한 정보가 입력되어 있다. 그리고, 이동부(130)의 기준 위치에 대한 정보도 함께 입력되어 있다.
위치 측정부(140)는 이동부(130)의 이동량과 레이저 센서(110)의 출력값을 이용하여 패턴 형성용 공구의 위치를 환산하고, 환산된 정보를 외부로 출력한다.
상기와 같이 구성된 본 발명은 다음과 같이 동작한다.
도 5와 도 6은 본 발명의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
사용자가 미도시되어 있는 패턴 형성 장치에서 사용되는 패턴 형성용 공구(1)를 새로운 것으로 교환한 후, 정확한 위치에 배치되어 있는 지 파악하기 위해, 본 발명에 따른 공구 위치 측정 장치(100)의 동작이 개시되도록 한다. 이때, 이동부(130)는 소정의 기준 위치 상에 배치되어 있다.
본 발명에 따른 공구 위치 측정 장치의 동작을 개시하면, 레이저 센서(110)에 전원이 인가되어 발광 센서(110A)에서는 레이저의 발광이 시작된다.
이동부(130)가 이동하여, 패턴 형성용 공구(1)를 검출하기 전까지는 수광 센서(110B)에서는 레이저의 수광이 이루어지지 못하므로, 이동부(130)는 기준 위치에서 Y축 방향으로 이동을 시작하여, 공구 홀더(2) 상에 고정되어 있는 공구(1)의 예정 위치로 이동한다.
먼저, 이동부(130)는 기준 위치에서 Y축 상으로 이동한다. 이동부(130)의 동작과 동시에 레이저 센서(110)가 동작하여, 레이저 센서(110)의 발광 센서(110A)는 소정의 레이저를 발광하여 조사한다.
도 5를 참조하면, 이동부(130)가 Y축 상으로 이동하며, 공구(1)의 배치 위치로 이동한다. 이동부(130)의 Y축 이동에 의해 발광 센서(110A)는 공구(1)에 대하여 레이저를 조사할 수 있는 위치에 도달할 수 있고, 수광 센서(110B)는 공구(1)에서 반사되는 레이저를 수광할 수 있다.
수광 센서(110B)가 공구(1)에서 반사되는 레이저를 수광하면, 이에 해당하는 신호가 출력되어 비교부(120)로 입력된다.
비교부(120)는 발광 센서(110A)에서 발광된 레이저의 광속과 수광 센서(110B)에서 수광된 레이저의 광속의 크기를 비교한다. 비교 결과, 발광된 레이저의 광속과 수광된 레이저의 광속이 동일하면, 위치 측정부(140)는 레이저 수광 시점의 이동부(130)의 위치값을 이용하여 공구의 Y축과 X축 상의 위치를 연산하여 출력한다. 또한, 레이저 센서(110)와 공구(1)와의 거리를 측정하여, 출력함으로써 공구(1)의 Z 축 상의 위치를 출력할 수 있다.
그러나, 비교 결과, 발광된 레이저의 광속보다 수광된 레이저의 광속이 작은 것으로 판단되면, 공구의 Y축 상의 위치는 검출된 것으로 판단할 수 있지만, 공구의 X축 상의 위치는 검출되지 않은 것으로 판단할 수 있다.
도 6을 참조하면, 공구(1)의 X축상의 이동을 검출하기 위해, 이동부(130)는 공구(1)의 Y축 위치가 검출된 Y축 지점에서 X축 상으로 이동하고, 레이저 센서(110)의 동작은 계속 수행된다.
이동부(130)의 X축 상의 이동 시, 수광 센서(110B)에서 수광이 소정 시간 동안(예를 들어 1~2초) 이루어지지 않는다면, 이동부(130)는 X축 상에서 반대 방향으로 이동하도록 한다.
수광 센서(110B)가 레이저를 수광하여 신호를 출력하면 이는 비교부(120)로 입력되고, 비교부(120)는 발광 센서(110A)에서 발광된 레이저의 광속과 수광 센서(110B)에서 수광된 레이저의 광속이 서로 동일하면, 이동부(130)의 이동을 정지시킨다.
위치 측정부(140)는 이동부(130)의 위치값을 이용하여 공구의 Y축과 X축 상의 위치를 연산하여 출력한다. 또한, 레이저 센서(110)와 공구(1)와의 거리를 측정하여, 출력함으로써 공구(1)의 Z 축 상의 위치를 출력할 수 있다.
도 7은 레이저 센서에서 발광되는 레이저의 광속보다 작은 공구의 위치 검출을 설명하기 위한 도면이다.
한편, 검출 대상인 패턴 형성용 공구(1)의 팁의 폭이 발광 센서(110A)에서 발광되는 레이저의 광속보다 작을 수 있다.
이 경우, 발광 센서(110A)는 패턴 형성용 공구(1)에 직접 레이저를 조사하지 않고, 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 패턴 형성용 공구(1)가 고정되어 있는 공구 홀더(2)의 일측단(원형으로 표시됨)을 향하여 레이저를 조사하는 것이 바람직하다.
공구 홀더(2) 상에서 패턴 형성용 공구(1)의 고정 위치는 기 설정되어 있으므로, 이전의 실시예에서 공구의 위치를 검출하는 방법을 적용하여 공구 홀더(2)의 일측단의 위치를 검출한 후, 공구 홀더(2)와 패턴 형성용 공구(1)의 상대적 위치 관계를 이용하여 패턴 형성용 공구(1)의 위치를 검출할 수 있다.
본 발명은, 미세 패턴 형성을 위해 패턴 형성용 공구를 공구 홀더 상에 장착한 후, 레이저를 이용하여 패턴 형성용 공구의 위치를 측정할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 공구 위치 측정 장치
110: 레이저 센서 120: 비교부
130: 이동부 140: 위치 측정부

Claims (8)

  1. 작업 대상물 상에 미세 패턴을 형성하기 위하여 공구 홀더 상에 고정되는 공구의 위치를 측정하는 장치로서,
    패턴 형성용 공구에 대하여 레이저를 조사하고 상기 공구에서 반사된 상기 레이저를 수광하는 레이저 센서;
    상기 레이저 센서에서 조사된 레이저와 수광된 상기 레이저를 비교하여 이에 해당하는 제어 신호를 출력하는 비교부;
    상기 레이저 센서가 배치되고 상기 비교부의 제어 신호에 따라 기준 위치에서 X, Y, Z 축 상으로 이동하고 그 이동값에 해당하는 신호를 출력하는 이동부; 및
    상기 이동부의 이동값을 이용하여 상기 패턴 형성용 공구의 위치를 측정하는 위치 측정부;
    를 포함하는 공구 위치 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 센서는,
    상기 레이저를 발광하는 발광 센서와,
    상기 발광 센서에 이웃하여 배치되고, 상기 패턴 형성용 공구에서 반사된 상기 레이저를 수광하고 수광에 따른 신호를 출력하는 수광 센서를 포함하는 공구 위치 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 발광 센서에서 발광되는 상기 레이저의 광속 직경은 상기 패턴 형성용 공구의 폭보다 작은 공구 위치 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 발광 센서에서 발광되는 상기 레이저의 광속 직경은 0.9㎛ 인 공구 위치 측정 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 작업 대상물에 대한 상기 발광 센서와 상기 수광 센서의 각도는 서로 동일한 공구 위치 측정 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 비교부는,
    상기 발광 센서에서 발광되는 상기 레이저의 광속과 상기 수광 센서에서 수광된 상기 레이저의 광속의 크기를 비교하는 공구 위치 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 비교부는,
    상기 수광 센서에서 수광된 상기 레이저의 광속이 0이면, 상기 이동부가 Y축 상으로 이동하도록 하고,
    상기 수광 센서에서 수광된 상기 레이저의 광속이 0 보다 크고, 상기 발광 센서에서 발광된 상기 레이저의 광속보다 작으면, 상기 이동부가 X축 상으로 이동하도록 하며,
    상기 수광 센서에서 수광된 상기 레이저의 광속이 상기 발광 센서에서 발광된 상기 레이저의 광속과 같으면, 상기 이동부가 정지하는 공구 위치 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 위치 측정부는,
    상기 이동부의 이동이 정지하면, 상기 이동부와 상기 패턴 형성용 공구와의 거리와
    상기 패턴 형성용 공구의 위치를 연산하여 출력하는 공구 위치 측정 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008002844A (ja) 2006-06-20 2008-01-10 Niigata Univ 変位測定装置
JP2009233785A (ja) 2008-03-27 2009-10-15 Mori Seiki Co Ltd 工作機械の位置測定方法とその装置
JP2013006251A (ja) 2011-06-27 2013-01-10 Disco Corp 工具位置検出装置及び工具位置検出装置を備えた加工装置

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