KR101667598B1

KR101667598B1 - 탄화규소 반사경 체결 장치

Info

Publication number: KR101667598B1
Application number: KR1020140149457A
Authority: KR
Inventors: 윤시영; 이행복
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2016-10-28
Also published as: US20160121595A1; US9746637B2; KR20160051970A

Abstract

본 발명은 반사경 체결 장치에 관한 것으로, 다수 지점에 형성되고 일면에 형성되는 원통부를 구비하는 SiC 반사경을 장착대에 체결하는 반사경 체결 장치에 있어서, 상기 원통부의 내부에 부착되는 곡면 형상의 수직부와, 상기 수직부를 가로질러 형성되어 상기 수직부와 일체로 형성되는 수평부를 포함하는 삽입부와, 상기 수직부와 상기 원통부의 내주면 사이에 구비되어 상기 삽입부를 원통부에 부착시키는 접착제와, 일 단부는 상기 수평부에 고정되고, 타 단부는 상기 장착대에 고정되어, 상기 반사경을 상기 장착대에 고정시키는 고정부, 및 상기 고정부를 상기 삽입부에 고정시키는 체결부재를 포함하는 반사경 체결 장치가 제공될 수 있다.

Description

탄화규소 반사경 체결 장치{COUPLING APPARATUS FOR SiC REFLEX MIRROR}

본 발명은 반사경 체결 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 대구경 반사광학계의 반사경 장착에 적용되는 기술로서, 장착시 접착제를 사용하는 반사경 체결 장치에 관한 것이다.

종래에는 Zerodure 등 열팽창이 작은 소재의 반사경을 Invar로 제조한 MFD(Mirror Fixation Device)를 직접 접착하여 조립하였다. 이와 같은 경우 다음과 같은 특성이 있다.

첫째, 반사경과 MFD 간의 열팽창이 다른 경우, 조립 온도로부터 온도가 상승 또는 하강하면 열팽창의 차이로 인한 변형이 반사경에 전달되어 광학적 성능 저하를 일으킨다. 이 효과는 수 nm 수준의 변형에 대하여도 민감하게 나타난다. 또한, MFD를 반사경에 접착시 MFD의 형상이 복잡하여 조립 공정이 어려워진다. 특히, 접착두께 및 접착부의 접착제 충진, 정확한 위치가 중요하므로 접착 형상은 단순할수록 좋다.

종래기술은 위에 설명한 반사경 구조에 MFD를 장착하는 경우 다음과 같은 문제점이 있다. 첫째, SiC 반사경 구조와 MFD의 열팽창의 차이로 인한 스트레스가 발생된다. 상기 스트레스는 접착면의 길이가 길어질수록 커지며, 접착면의 수축 또는 팽창의 차이는 반사경면에 만곡을 만든다. 둘째, SiC 반사경 구조에 MFD를 장착하는 작업성이 좋지 않아 접착 공정이 어렵다. 즉, 접착면에 접착제 충진, 접착제 두께(통상 0.05~0.2 mm), 접착위치정밀도(방향, 각도, 위치, 두께편차) 조절이 어려운 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 반사경에 반사경과 동일한 재질의 인서트 구조물을 삽입함으로써 조립시 열변형을 최소화할 수 있는 탄화규소 반사경 체결장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 다수 지점에 형성되고 일면에 형성되는 원통부를 구비하는 SiC 반사경을 장착대에 체결하는 반사경 체결 장치에 있어서, 상기 원통부의 내부에 부착되는 곡면 형상의 수직부와, 상기 수직부를 가로질러 형성되어 상기 수직부와 일체로 형성되는 수평부를 포함하는 삽입부와, 상기 수직부와 상기 원통부의 내주면 사이에 구비되어 상기 삽입부를 원통부에 부착시키는 접착제와, 일 단부는 상기 수평부에 고정되고, 타 단부는 상기 장착대에 고정되어, 상기 반사경을 상기 장착대에 고정시키는 고정부, 및 상기 고정부를 상기 삽입부에 고정시키는 체결부재를 포함하는 반사경 체결 장치가 제공될 수 있다.

상기 고정부는 상기 장착대에 체결되는 바이 파드(bi-pod)와, 상기 바이 파드의 적어도 일부가 삽입되어 고정되는 몸체, 및 상기 몸체로부터 연장되고, 상기 몸체보다 큰 단면적을 갖는 장착부를 포함하고, 상기 체결부재는 상기 장착부 및 수평부를 관통할 수 있다.

상기 체결부재와 장착부의 사이에 배치되는 와셔(washer)를 더 포함할 수 있고, 상기 삽입부는 SiC 재질로 이루어질 수 있으며, 상기 수평부와 장착부의 사이에는 티타늄(Ti) 재질의 연성 금속박막이 배치될 수 있다.

상기 수평부를 가로질러 상기 장착부와 대향하는 위치에 배치되어 상기 체결부재와 결합되는 너트 플레이트를 더 포함할 수 있으며, 상기 수평부에는 관통홀이 형성되어 상기 체결부재가 관통되고, 상기 너트 플레이트에는 나사산이 형성되어 상기 체결부재와 너트 플레이트가 결합될 수 있다.

상기 수평부는 상기 체결부재가 통과하는 관통홀이 구비되고, 상기 관통홀에는 상기 체결부재와 결합되도록 나사산이 형성될 수 있다.

상기 너트 플레이트는 상기 삽입부와 일체로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, SiC소재의 삽입구조(SiC인서트)를 사용하여반사경의 조립변형 및 열변형 등을 최소화하여 정밀한 성능을 유지할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 조립공정을 쉽게 하여 접착 정밀도 향상, 접착강도 극대화, 내부기공 등 불완전 요소를 제거할 수 있으며, SiC 반사경과 MFD의 이종 재질간의 열팽창율 차이를 완화시킬 수 있다.

나아가, 체결부재의 체결력에 의한 SiC 구조물 변형을 SiC 소재의 삽입구조(SiC인서트)와 접착제를 사용함으로써 완화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 반사경 장착 형상 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 반사경의 3점 지지점을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사경 체결 장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 MDF 장착 방향을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정부를 위에서 바라본 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사경의 원통부와 SiC 삽입부의 접착 형상 단면도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 실시예 따른 반사경 체결 장치의 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일·유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 "직접 접속되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 SiC 반사경(100)의 장착구조를 나타낸 개략도인데, 도 1을 참조하면, SiC 반사경(100)은 세로로 세워진 장착대(130,옵티컬벤치)에 장착되는데, 상기 반사경(100)이 중력에 의해 중력 방향(G)으로 쳐질 수 있으므로 단단하게 고정해야 한다. 이를 위하여 통상적으로 MFD(Mirror Fixation Device)라는 고정부(120,flexer)에 의해 고정되는데, 상기 고정부(120)는 도 4에 도시된 바와 같이, 반사경(100) 내부의 세 개소에 고정된다. 상기 고정부(120)는 반사경(100)의 중심을 중심으로 정삼각형이 이루도록 이루어진다.

즉, 대구경 반사광학계의 경량화 구조를 가진 SiC 반사경(100)은 도 2에 도시된 바와 같이, 통상 3점 지지점(110)을 사용하여 장착하며, 3점의 지지점(110)은 최적의 자유도를 가진 고정부(120,MFD)에 의하여 지지된다. 따라서 상기 지지점(110)은 SiC 반사경(100)의 위치를 결정하고, 반사경(100)의 하중을 지탱하며, 반사경(100)이 장착된 장착대(130)의 열변형 및 구조변형으로부터 변형을 차단하는 기능을 가져야 한다. 또한, 상기 고정부(120)는 상기 장착대(130)로부터 적정 위치로 고정되어야 한다. 도 1에서 G는 중력 방향을 의미하고, X, Y는 반사경(100)의 형성 방향을 의미하며, Z는 반사경(100)의 두께 방향을 의미한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 다수 지점에 형성되고 일면에 형성되는 원통부(101)를 구비하는 반사경(100)을 장착대(130)에 체결하는 반사경(100) 체결 장치는, 상기 원통부(101)의 내부에 부착되는 곡면 형상의 수직부(151)와, 상기 수직부(151)를 가로질러 형성되어 상기 수직부(151)와 일체로 형성되는 수평부(152)를 포함하는 삽입부(150)와, 상기 수직부(151)와 상기 원통부(101)의 내주면 사이에 구비되어 상기 삽입부(150)를 원통부(101)에 부착시키는 접착제(140)와, 일 단부는 상기 수평부(152)에 고정되고, 타 단부는 상기 장착대(130)에 고정되어, 상기 반사경(100)을 상기 장착대(130)에 고정시키는 고정부(120), 및 상기 고정부(120)를 상기 삽입부(150)에 고정시키는 체결부재(180)를 포함하여 이루어진다.

즉, 상기 수직부(151)는 중공의 원통 형상이며, 내부는 수평부(152)에 의해 지지되어 연결되며, 상기 삽입부(150)는 대략 'H'형상이다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 고정부(120)는 장착대(130)에 체결되는 부분인 바이 파드(121,bi-pod)와, 상기 바이 파드(121)가 고정되는 몸체(123), 및 상기 몸체(123)로부터 연장되고, 상기 몸체(123)보다 단면적이 큰 장착부(124)를 포함하여 이루어진다. 상기 바이 파드(121)는 'V'형상이고, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 바이 파드(121)는 몸체(123)에 적어도 일부가 삽입됨으로써 고정되고, 체결부재(180)는 4개소에 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 SiC 반사경(100)의 원통부(101)와 삽입부(150) 사이에 접착제(140)가 구비되는데, 도 6은 상기 반사경(100)의 원통부(101)와 삽입부(150)가 접착제(140)에 의해 접착되는 형상을 도시한 것이다. 상기 접착제(140)는 상기 원통부(101)와 삽입부(150)의 사이에 빈 틈이 없이 충진되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 고정부(120)는 도 4에 도시된 바와 같이, 반사경(100)의 중심을 기준으로 120°간격으로 배치될 수 있으며, 반사경(100)의 반경이 R2일 때, 반사경(100)의 중심으로부터 반경이 R1인 지점에 배치된 것을 도시한 것이다.

상기 체결부재(180)와 수평부(152)의 사이에는 응력 분산을 위한 와셔(170,washer)가 구비되고, 상기 삽입부(150)는 SiC 재질로 이루어져 반사경(100)과의 열팽창계수와의 차이를 최소화하여 열팽창에 따른 문제를 해소하였다.

또한, 상기 수평부(152)와 장착부(124)의 사이에는 연성 금속박막(190)이 배치되며, 후술하는 제1 실시예에서는 너트 플레이트(160)와 수평부(152)의 사이에도 배치될 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에서는 상기 수평부(152)의 하부에 배치되는 너트 플레이트(160)를 포함하는데, 상기 너트 플레이트(160)는 상기 수평부(152)를 가로질러 상기 고정부(120)와 대향하는 위치에 배치되어 상기 체결부재(180)와 결합되고, 상기 너트 플레이트(160)는 다수의 체결부재(180)와 결합할 수 있으며, 예를 들면 도 5에 도시된 바와 같이, 4개의 체결부재(180)가 결합할 수 있다.

즉, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, SiC 반사경(100) 체결 장치는, SiC 소재의 삽입부(150,SiC 인서트)에 장착된 너트 플레이트(160,Nut Plate), 접착제(140), 고정부(120), 체결부재(180,볼트), 금속박막(190,메탈시트) 및 상부구조인 장착대(130)를 포함하여 이루어진다.

본 발명의 제1 실시예에서는 SiC 반사경(100)에 SiC 소재의 삽입부(150)를 접착제(140)를 사용하여 접착한 후 경화하여 접착강도를 갖도록 한다. 이때, 미리 장착된 너트 플레이트(160)는 미리 SiC 삽입부(150)에 장착하여 조립시 체결부재(180)와 결합되도록 한다. 그리고,상기 고정부(120)는 삽입부(150)에에 장착되어 4개의 체결부재(180)(볼트)를 사용하여 장착한다. 이때, Ti 금속박막(190))등을 SiC면에 끼워서 국소 응력을 제거한다.

본 발명의 제1 실시예에서는 상기 체결부재(180)가 통과하도록 수평부(152)에 관통홀(153)이 형성되어 있으며, 상기 관통홀(153)에는 나사산이 형성되어 있지 않을 수 있으며, 상기 너트 플레이트(160)에는 나사산(161)이 형성되어 있어 상기 너트 플레이트(160)만이 상기 체결부재(180)와 결합된다. 또한, 상기 장착부(124)에도 관통홀(122)이 형성되어 있는데, 상기 관통홀(122)에도 나사산은 형성되지 않을 수 있다.

도 7 및 도 8은 각각 본 발명의 제2 실시예 및 제3 실시예에 따른 반사경(100) 체결 장치의 단면도인데, 대부분의 구성은 상술한 제1 실시예에서와 동일하므로, 동일한 부분에 대하여는 구체적인 설명을 생략하기로 한다. 또한, 동일,유사한 구성에 대하여는 동일,유사한 도면부호를 사용하기로 한다.

제1 실시예의 경우에는 너트 플레이트(160)를 상기 수평부(152)의 하부에 배치하여 체결부재(180)와의 결합에 의해 고정부(120)를 삽입부(150)에 고정시킨 반면, 제2 실시예에서는 상기 너트 플레이트(160)를 구비하지 않는다. 제2 실시예에서는 별도의 너트 플레이트(160)를 구비하지 않고, 수평부(252)에 형성되는 체결부재(280)가 관통하는 관통홀(253)의 내주면에 나사산을 형성함으로써 체결부재(280)와 수평부(252)가 결합할 수 있도록 하였다.

한편, 제3 실시예에서는 제1 실시예에서의 너트 플레이트(160)가 삽입부(350)와 일체로 형성된 것이다. 즉, 도 8에서의 수평부(352)에 형성되는 관통홀(353)의 하단에는 나사산이 형성되어 체결부재(380)와 결합되도록 할 수 있다.

이때, 상기 수평부(352)의 관통홀(353) 전체에 걸쳐 나사산이 형성될 수도 있음은 당연하다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정부(120)를 SiC 삽입부(150)에 장착하는 동작 및 그 효과에 대하여 설명하기로 한다.

상기 고정부(120)는 SiC 반사경(100)을 장착대(130)에 장착하는 구조용 부품으로, 운송, 취급, 발사, 운용 환경에서 SiC 반사경(100)을 설계된 위치에 고정하는 기능을 한다. 또한, 장착대(130)의 열변형과 구조변형이 SiC 반사경(100)의 경면변형을 일으키지 않도록 최소의 구속을 하도록 설계된다. 이때, 상기 고정부(120)의 강성(6DOF에 대한 자유도)을 제어하여야 하는데, 강성에 의한 자유도가 제어되는 고정부(120)는 도 4에 도시된 바와 같이 축대칭으로 장착되어 반경방향으로는 최저강성을(Flex), 접선방향으로는 최대강성(Stiif)을 부여하도록 장착된다.

이때, SiC 반사경(100)에 작용하는 지지력은 체결부재(180)를 통하여 SiC 소재의 삽입부(150) 및 접착제(140)에 전달되고, SiC 반사경(100)을 지지하게 된다. 이때 힘이 전달되는 모든 경로에 응력이 발생된다.

또한, 고정부(120)는 Bi-POD 형상으로 얇고 긴 형상이므로 원통형의 깊은 접착면에 접착작업을 하기에 적합하지 않다. 따라서 본 발명의 일 실시예에서 제안하는 SiC 소재의 삽입부(150)는 원통형 형상으로 작업하기에 매우 편리한 형상으로 고안하였다. SiC 반사경(100)의 접착부인 원통부(101) 내면에 접착제(140)를 도포하고, 치구를 사용하여 원통 형상의 삽입부(150)를 삽입하여 경화시킨다. 상기 삽입부(150)는 SiC 반사경(100)의 원통부(101)의 내부 중심에 정확히 삽입하여야 접착제(140)의 강도를 충분히 얻을 수 있고, 조립정밀도를 얻을 수 있다. 이와 같은 공정에 의해 조립 공정이 단순화될 수 있다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에서는 온도변화에서 이종소재의 열팽창에 의한 변형을 완화시킬 수 있다.

즉, 일반적으로 반사경(100)의 소재는 유리 또는 SiC 등 세라믹 소재이고, 고정부(120)의 소재는 Invar, Ti합금 등으로 제작한다. 가급적이면 두 소재의 CTE(열팽창계수)의 차이가 적은 소재를 선택하지만 광학계의 운용온도 범위와 내구성온도 범위에서 열팽창의 차이는 발생한다. 본 발명의 일 실시예에서는 삽입부(150)를 SiC 반사경(100)과 같은 소재로 제작하여 고정부(120)와의 열팽창의 차이로 인한 경면으로 전달되는 영향을 최소화한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 조립 체결력에의 한 응력 전달 완화시킬 수 있다.

앞에 설명한 바와 같은 구조에서 고정부(120)를 장착하기 위하여 체결부재(180)를 사용하여 조립한다. 이때 체결부재(180)의 체결력은 삽입부(150)에 변형을 유기하게 된다. 이 응력분포는 접착제(140)의 경계면에서 접착제(140)의 연성에 의하여 완화된다. 본 발명의 일 실시예에서의 접착제(140)는 에폭시(epoxy)를 사용하는데 에폭시의 영률(Young's Modulus, E_ep)는 0.34 GPa인 반면, SiC의 영률(E_sic)은 430GPa로, 1200배 이상의 차이가 있으므로, 접착제는 완충역할을 할 수 있다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims

다수 지점에 형성되고 일면에 형성되는 원통부를 구비하는 SiC 반사경을 장착대에 체결하는 반사경 체결 장치에 있어서,
상기 원통부의 내부에 부착되는 곡면 형상의 수직부와, 상기 수직부를 가로질러 형성되어 상기 수직부와 일체로 형성되는 수평부를 포함하는 삽입부;
상기 수직부와 상기 원통부의 내주면 사이에 구비되어 상기 삽입부를 원통부에 부착시키는 접착제;
일 단부는 상기 수평부에 고정되고, 타 단부는 상기 장착대에 고정되어, 상기 반사경을 상기 장착대에 고정시키는 고정부; 및
상기 고정부를 상기 삽입부에 고정시키는 체결부재를 포함하는 반사경 체결 장치.
제1항에 있어서,
상기 고정부는,
상기 장착대에 체결되는 바이 파드(bi-pod);
상기 바이 파드의 적어도 일부가 삽입되어 고정되는 몸체; 및
상기 몸체로부터 연장되고, 상기 몸체보다 큰 단면적을 갖는 장착부를 포함하고,
상기 체결부재는 상기 장착부 및 수평부를 관통하는 것을 특징으로 하는 반사경 체결 장치.
제2항에 있어서,
상기 체결부재와 장착부의 사이에 배치되는 와셔(washer)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반사경 체결 장치.
제1항에 있어서,
상기 삽입부는 SiC 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반사경 체결 장치.
제2항에 있어서,
상기 수평부와 상기 장착부의 사이에는 티타늄(Ti) 재질의 연성 금속박막이 배치되는 것을 특징으로 하는 반사경 체결 장치.
제2항에 있어서,
상기 수평부를 가로질러 상기 장착부와 대향하는 위치에 배치되어 상기 체결부재와 결합되는 너트 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반사경 체결 장치.
제6항에 있어서,
상기 수평부에는 관통홀이 형성되어 상기 체결부재가 관통되고, 상기 너트 플레이트에는 나사산이 형성되어 상기 체결부재와 너트 플레이트가 결합되는 것을 특징으로 하는 반사경 체결 장치.
제1항에 있어서,
상기 수평부는,
상기 체결부재가 통과하는 관통홀이 구비되고, 상기 관통홀에는 상기 체결부재와 결합되도록 나사산이 형성되는 것을 특징으로 하는 반사경 체결 장치.
제6항에 있어서,
상기 너트 플레이트는 상기 삽입부와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 반사경 체결 장치.