KR20080002801A

KR20080002801A - 기계 가공 스핀들

Info

Publication number: KR20080002801A
Application number: KR1020077022485A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 로버트 호클리
Original assignee: 지에스아이 그룹 리미티드
Priority date: 2005-03-01
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2008-01-04
Also published as: JP5561904B2; JP2008531312A; JP5484526B2; DE602006006980D1; GB0504228D0; JP2012228774A; EP1855840B1; EP1855840A1; ATE432146T1; CN101137465A; WO2006092568A1; US20080214096A1

Abstract

기계 가공 스핀들은 작업편을 기계 가공하기 위한 제1 도구(32)를 운반하기 위하여 배열된 내측 샤프트(3)와 상기 작업편을 기계 가공하기 위한 제2 도구(22)를 운반하기 위하여 배열된 외측 샤프트(2)를 포함하며, 상기 샤프트들은 공통 축에 대한 회전과 서로에 대한 축 방향 이동을 위하여 장착되며, 상기 기계 가공 스핀들은 주 몸체(1)를 또한 포함하고 상기 샤프트들은 상기 주 몸체 내에서 저널(journal) 구조로 형성되며, 상기 내측 샤프트(3)는 외측 샤프트(2) 내에 배치되고 상기 외측 샤프트는 다시 상기 주 몸체 내에서 저널 구조로 형성되며, 상기 내측 샤프트(2)와 외측 샤프트(3)는 제1 상태와 제2 상태 사이에서 서로에 대해서 이동가능하며, 상기 내측 샤프트는 상기 제1 상태에서보다 상기 제2 상태에서 상기 외측 샤프트에 대해서 더 많이 수축되며 상기 기계 가공 스핀들은 상기 제1 상태로부터 상기 제2 상태로 상기 샤프트들(23)을 구동하고 상기 샤프트들을 상기 제2 상태로부터 상기 제1 상태로 구동하기 위한 유체압 구동 액추에이터 장치(7)를 포함한다. 상기 액추에이터 장치(7)는 상기 외측 샤프트 내에 제공되며 상기 외측 샤프트와 함께 회전한다.

기계 가공 스핀들, 유체 공급 장치, 샤프트, 유체압 구동 액추에이터 장치, 흡입구, 배출구, 복동 피스톤 어셈블리.

Description

기계 가공 스핀들{MACHINING SPINDLE}

본 발명은 기계 가공 스핀들에 관한 것이다. 특히, 예를 들어 반도체 산업에서 사용되기 위한 실리콘 웨이퍼의 연삭을 위한 공업적 연삭 공정에 사용될 수 있는 기계 가공 스핀들에 관한 것이다.

많은 연삭 스핀들은 상대적으로 높은 회전 속도에서 회전하도록 배열된다. 실리콘 웨이퍼를 연삭하는 경우에 회전 속도는 대개 8,000 rpm 정도일 수 있다. 또한, 우선적으로 큰 소재(bulk material)를 제거하기 위한 상대적으로 거친 연삭 휠이 사용되고 다음으로 원하는 마무리를 얻기 위하여 다듬질 연삭 휠(finishing grinding wheel)이 사용되는 2 단계 연삭 공정을 수행할 필요가 종종 있다.

이와 같은 연삭 작업을 수행함에 있어서, 작업편에 대한 상기 연삭 휠들의 높은 수준의 위치 정확성을 얻을 수 있는 것이 중요할 수 있다.

동일한 고려 사항이 연삭 이외의 다른 공정들을 위하여 사용되는 기계 가공 스핀들에 대해서 적어도 어느 정도는 적용된다.

2 단계 공정을 수행하는 것이 바람직한 경우에 있어서 도움이 되기 위하여, 예를 들어 첫째로 거친 연삭 휠로 연삭을 하고 그 다음에 마무리 연삭 휠로 연삭을 함으로써, 일부 기존 시스템들은 두 개의 샤프트(shaft) 중의 하나가 다른 하나의 샤프트 내에서 작동하는 상태로 공통 축에 대하여 회전하도록 배열된 두 개의 샤프트가 있는 배열을 이용한다. 이와 같은 경우에 각각의 샤프트는 도구를 운반하도록 배열되며 이것들은 선택적으로 기계 가공, 예를 들어 연삭을 위하여 작업편에 적용될 수 있다.

이러한 스핀들에 있어서는 상기 샤프트들 중의 하나에 의해서 운반된 도구가 어떤 지점에서 적시에 작업편에 작동하고 다른 하나의 샤프트에 의해 운반된 도구가 다른 지점들에서 적시에 작업편에 작동하도록 상기 샤프트들을 축 방향으로 서로에 대해서 구동하기 위한 장치를 제공할 필요가 있다.

일부 기존 시스템들에서는 샤프트들을 서로에 대해서 구동하는 기계적 수단이 사용된다. 특히, 내측 샤프트가 스프링의 작용 하에서 수축 위치로 뒤로 구동되도록 배열된 스프링 팩(spring pack)을 사용하는 것은 기존 시스템에서 공통적이다.

그러나 그러한 시스템은 상기 내측 샤프트에 연장 위치로 외측으로 힘을 가하기 위하여 사용되는 장치가 스프링 힘에 어긋나게 작용해야 하기 때문에 바람직하지 못할 수 있다. 현재의 스프링 팩들의 마찰 변화의 문제점 때문에, 전방으로 내측 스프링에 힘을 가하도록 상기 스프링 팩에 어긋나게 작용하기 위하여 필요한 압축력은 상당히 변화될 수 있으며 또한 스프링 크리프(creep)가 스프링들이 압축 상태에 정착함에 따라서 단기간에 걸쳐서 발생할 수 있다. 또한 장기간에 걸쳐서는 스프링 페이드(fade)가 발생할 수 있다. 마찰 변화 및 스프링 크리프와 관련된 문제점들은 연장 위치에 있을 때 상기 내측 샤프트의 정확한 위치 반복성을 달성하는 것이 요구되는 경우에 어려움을 야기할 수 있다. 바람직하지 않은 소음 및/또는 진동을 피하기에 충분히 강력하게 상기 내측 샤프트가 수축 위치에 유지될 수 없기 때문에 스프링 페이드는 수축 위치에서 문제점들을 야기할 수 있다.

또한, 실제적인 시스템에서는 필요한 힘을 제공하기 위하여 요구되는 스프링들은 상대적으로 대형이어야 하며 이와 같은 스프링을 높은 회전 속도로 회전하는 시스템 내부에서 사용하는 것은 샤프트 어셈블리의 가변성 진동을 유발하는 균형의 문제점을 유도할 수 있다. 이와 같은 진동은 가공 공정의 품질에 영향을 미칠 수 있으며, 예를 들어 연삭된 웨이퍼의 표면 마무리가 영향을 받을 수 있다.

본 발명의 목적은 상기 선행 기술과 관련된 문제점들의 적어도 일부를 제거하기 위한 것이다.

본 발명의 일 태양에 따르면,

작업편을 기계 가공하기 위한 제1 도구를 운반하기 위하여 배열된 내측 샤프트(inner shaft)와 상기 작업편을 기계 가공하기 위한 제2 도구를 운반하기 위하여 배열된 외측 샤프트(outer shaft)를 포함하는 기계 가공 스핀들이 제공되며, 상기 샤프트들은 공통 축에 대한 회전과 서로에 대한 축 방향 이동을 위하여 장착되며, 상기 기계 가공 스핀들은 주 몸체(main body)를 또한 포함하고 상기 샤프트들은 상기 주 몸체 내에서 저널(journal) 구조로 형성되며, 상기 내측 샤프트는 외측 샤프트 내에 배치되고 상기 외측 샤프트는 다시 상기 주 몸체 내에서 저널 구조로 형성되며, 상기 내측 샤프트와 외측 샤프트는 제1 상태와 제2 상태 사이에서 서로에 대해서 이동가능하며, 상기 내측 샤프트는 상기 제1 상태에서보다 상기 제2 상태에서 상기 외측 샤프트에 대해서 더 많이 수축되며 상기 기계 가공 스핀들은 상기 제1 상태로부터 상기 제2 상태로 상기 샤프트들을 구동하기 위한 유체압 구동 액추에이터 장치(fluid pressure driven actuator arrangement)를 포함한다.

이 장치는 내측 샤프트, 그리고 결과적으로 상기 내측 샤프트에 의하여 운반된 도구를 예를 들어 공압 작동(pneumatic actuation)을 사용하여 수축되도록 한다. 이것은 특히 높은 회전 속도 시스템에서 마모 및 파괴되기 쉽고 진동하기 쉬운 스프링 수축 시스템 또는 또 다른 기계적 수축 시스템의 필요성을 제거한다.

바람직하게는 상기 유체압 구동 액추에이터 장치는 또한 상기 샤프트들을 제2 상태로부터 제1 상태로 구동하기 위하여 배열된다. 상기 유체압 구동 액추에이터 장치는 복동 유체압 구동 액추에이터 장치(double acting fluid pressure driven actuator arrangement)일 수 있다. 이것은 또한 기구를 단순화할 수 있고 기계적 구동 장치의 사용을 피하는 데 도움이 될 수 있다. 상기 유체압 구동 액추에이터 장치는 복동 피스톤 어셈블리(double acting piston assembly)를 포함할 수 있다. 다수의 피스톤들이 제공될 수 있다. 이것들은 축 방향으로 정렬되어, 즉 축 방향으로 앞뒤로 배열될 수 있다. 공급부(feed)들이 각 피스톤의 각각의 부분(side)에 제공될 수 있다. 이와 같은 장치는 연장 및/또는 수축에서 내측 샤프트에 보다 큰 힘이 가해지게 한다.

상기 유체압 구동 액추에이터 장치는 상기 외측 샤프트 내에 배치될 수 있다. 상기 유체압 구동 액추에이터 장치는 상기 외측 샤프트와 함께 회전하도록 배열될 수 있다.

상기 외측 및 내측 샤프트의 적어도 하나는 유체를 상기 유체압 구동 액추에이터 장치에 공급하기 위한 하나의 유체 공급 채널의 적어도 일부를 포함할 수 있다. 두 개의 유체 공급 채널이 있을 수 있다. 제1 채널은 제1 상태로부터 제2 상태로 상기 샤프트들을 구동하기 위하여 유체를 상기 유체압 구동 액추에이터 장치로 공급하기 위한 것일 수 있으며 제2 채널은 상기 샤프트들을 제2 상태로부터 제1 상태로 구동하기 위하여 유체를 상기 유체압 구동 액추에이터 장치로 공급하기 위한 것일 수 있다.

상기 제1 및 제2 채널들 중 적어도 각각의 부분들은 원주 방향으로(circumferentially) 서로 간격을 둘 수 있다. 제1 및 제2 채널들 각각은 구동 유체(driving fluid)를 수용하기 위한 각각의 흡입구(inlet)를 구비할 수 있다. 상기 각각의 흡입구들은 서로 축 방향으로 간격을 둘 수 있다. 본 명세서에서 원주 방향(circumferential)과 축 방향(axial)이란 용어는 상기 스핀들의 형상 및/또는 상기 채널들과 흡입구들이 각기 형성되는 구성 요소의 형상을 지칭한다.

상기 스핀들은 유체를 각각의 흡입구들을 통해서 채널들에 공급하기 위한 유체 공급부를 포함할 수 있다. 상기 유체 공급부는 개구부를 한정할 수 있으며 채널 흡입구들을 형성하는 구성 요소가 상기 개구부 내로 돌출한다. 상기 유체 공급부는 상기 채널들로의 흡입구들을 향하는 표면을 가질 수 있다. 상기 표면은 축 방향으로 서로 간격을 두고 있는 두 개의 배출구를 포함할 수 있다. 상기 배출구들 중 제1 배출구는 공기를 상기 흡입구들 중 제1 흡입구로 공급하기 위하여 배열될 수 있으며 상기 배출구들 중 제2 배출구는 공기를 상기 흡입구들 중 제2 흡입구로 공급하기 위하여 배출될 수 있다. 각각의 배출구는 상기 유체 공급부의 표면에 배치된 연관된 홈을 가질 수 있다. 따라서 상기 유체 공급부의 표면에 의하여 형성된 두 개의 축 방향으로 간격을 두고 있는 홈이 있을 수 있다.

상기 배출구들 및/또는 홈들의 축 방향 간격은 상기 흡입구들의 축 방향 간격과 동일할 수 있다. 상기 배출구들 및/또는 홈들 중 제1 배출구 및 제1 홈은 상기 흡입구들 중 제1 흡입구에 따라 축 방향으로 정렬될 수 있다. 상기 배출구들 및/또는 홈들 중 제2 배출구 및 제2 홈은 상기 흡입구들 중 제2 흡입구에 따라 축 방향으로 정렬될 수 있다.

상기 유체 공급부는 대체적으로 환상일 수 있다. 상기 배출구들 및/또는 홈들은 환상의 유체 공급부의 내측 원주 방향 표면에 제공될 수 있다.

상기 유체 공급부는 베어링(bearing)을 포함할 수 있다. 상기 유체 공급부는 밀봉 베어링(seal bearing)을 포함할 수 있다. 상기 유체 공급부는 비접촉 밀봉 베어링(non-contact seal bearing)을 포함할 수 있다. 상기 유체 공급부는 상기 스핀들의 주 몸체에 장착될 수 있다.

상기 외측 샤프트는 제1 채널 및 제2 채널의 적어도 일부를 형성하는 연장부(extension portion)를 포함할 수 있다. 상기 연장부는 상기 채널 흡입구들을 형성할 수 있다. 상기 연장부는 상기 내측 샤프트에 의하여 점유된 영역을 넘어서 연장할 수 있다.

상기 연장부는 상기 유체 공급부에 형성된 개구부로 돌출할 수 있다. 상기 채널 흡입구들이 형성되며 상기 흡입구들 및/또는 홈들을 형성하는 유체 공급부의 표면을 향하는 표면을 상기 연장부는 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 유체가 공급되는 연장부가 배치되는 보어(bore)를 상기 유체 공급부가 구비하는 스핀들이 있으며, 서로 축 방향으로 간격을 두고 있고 따로따로 유체를 공급받도록 배열된 두 개의 유체 공급 홈을 상기 보어의 표면이 구비하며, 상기 연장부는 두 개의 분리된 유체 채널을 포함하고 있으며 상기 유체 채널 각각은 각각의 흡입구를 구비하고 있으며, 상기 흡입구들은 서로 축 방향으로 간격을 두고 있으며 흡입구들 각각은 상기 홈들 중 각기 하나의 홈과 축 방향으로 정렬된다.

상기 스핀들은 상기 내측 샤프트와 외측 샤프트의 서로에 대한 이동을 제한하기 위한 적어도 하나의 완전 정지부(dead stop portion)를 포함할 수 있다. 상기 완전 정지부는 제1 상태에서 상기 내측 샤프트와 외측 샤프트의 상대적 위치를 결정하기 위하여 배열될 수 있다. 이러한 제1 상태는 상기 내측 샤프트에 의해 운반된 도구가 작업편과 접촉할 때 상기 샤프트들이 배치되는 위치와 대응할 수 있다.

제2 완전 정지부는 제2 상태에서 상기 내측 샤프트 및 외측 샤프트의 상대적 위치를 결정하기 위하여 배열될 수 있다. 상기 내측 및 외측 샤프트는 각각의 짝을 이루는 테이퍼(taper)들을 포함할 수 있다. 상기 짝을 이루는 테이퍼들은 완전히 결합되었을 때 제2 상태에서의 상기 내측 및 외측 샤프트의 상대적인 위치를 결정할 수 있다. 제2 상태는 상기 외측 샤프트에 의해 운반된 도구만이 사용 중인 작업편과 접촉하도록 내측 샤프트가 완전히 수축된 것과 대응할 수 있다.

바람직하게는 상기 유체압 구동 액추에이터 장치는 공압 액추에이터 장치를 포함할 수 있다. 이와 같은 장치는 상기 스핀들로 공급된 고압 공기에 의해서 구동될 수 있다.

바람직하게는 상기 스핀들은 적어도 하나의 공기 베어링을 포함한다. 그러한 경우에, 공압 작동 시스템을 제공하는 것은 특히 바람직하다. 상기 스핀들은 상기 공기 베어링에 공급된 공기 공급(air supply)이 또한 상기 유체압 구동 액추에이터 장치에 공급될 수 있도록 배열될 수 있다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 내부로 유체가 공급되는 샤프트부(shaft portion)가 배치되는 보어를 구비하는 유체 공급부를 포함하는 유체 공급 장치가 제공되며, 축 방향으로 서로 간격을 두고 있고 따로따로 유체를 공급받도록 배열된 두 개의 유체 공급 배출구를 상기 보어의 표면이 포함하며, 상기 샤프트부는 두 개의 분리된 유체 채널을 포함하며 상기 유체 채널 각각은 각각의 흡입구를 구비하며, 상기 흡입구들은 서로 축 방향으로 간격을 두고 있으며 각각의 흡입구는 상기 배출구들 중 각각의 하나의 배출구와 함께 축 방향으로 정렬된다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 내부로 유체가 공급되는 샤프트부(shaft portion)가 배치되는 보어를 구비하는 유체 공급부를 포함하는 유체 공급 장치가 제공되며, 축 방향으로 서로 간격을 두고 있고 따로따로 유체를 공급받도록 배열된 두 개의 유체 공급 홈을 상기 보어의 표면이 포함하며, 상기 샤프트부는 두 개의 분리된 유체 채널들을 포함하며 상기 유체 채널 각각은 각각의 흡입구를 구비하며, 상기 흡입구들은 서로 축 방향으로 간격을 두고 있으며 각각의 흡입구는 상기 홈들 중 각각의 하나의 홈과 축 방향으로 정렬된다.

본 발명의 실시예들은 단지 예시로서 첨부한 도면들을 참조하여 이하 기술된다.

도 1은 본 발명을 구현하는 기계 가공 스핀들의 단면도.

도 2는 보다 명확하게 나타내기 위하여 확대하고 상기 스핀들의 다른 단면에서 자른 도 1에 도시된 스핀들의 공압 액추에이터 장치를 나타내는 도면.

도 3은 도 1에 도시된 스핀들의 유체 공급 밀봉 베어링(fluid supply seal bearing)의 단면도.

도 4는 상기 스핀들의 두 개의 샤프트들 사이에서 구동력을 전달하기 위하여 사용되는 한 쌍의 구동 핀(drive pin) 중의 하나를 도해하는 도 1에 도시된 스핀들의 부분 단면도.

도 1은 기계 가공 스핀들, 이 경우에 있어서는 연삭 스핀들의 단면을 보여준다. 상기 기계 가공 스핀들은 일반적으로 외측 샤프트(2)와 상기 외측 샤프트에 대한 축 방향 이동을 위하여 상기 외측 샤프트(2) 내에 장착된 내측 샤프트(3)를 포함하는 이중 샤프트 어셈블리가 저널(journal) 구조로 형성되는 주 몸체(1)를 포함한다. 상기 외측 샤프트(2)는 반경 방향 공기 베어링(radial air bearing)(4) 내에서 회전을 위하여 저널 구조로 형성되며 모터(5)는 상기 외측 샤프트(2)를 그리고 결과적으로 상기 주 몸체(1)에 대하여 전체 샤프트 어셈블리를 회전식으로 구동하 기 위하여 제공된다. 상기 외측 샤프트(2)는 외측 연삭 휠(22)이 장착되는 외측 연삭 휠 마운트(outer grinding wheel mount)(21)를 포함한다. 비슷하게 상기 내측 샤프트(3)는 내측 연삭 휠(32)이 장착되는 내측 샤프트 연삭 휠 마운트(31)를 포함한다.

도 1에 도시된 위치에서, 상기 내측 샤프트(3)는 상기 외측 샤프트(2)에 대하여 수축된 위치에 있으며 그리고 그 자체만으로 상기 외측 연삭 휠(22)은 상기 내측 연삭 휠(32)을 넘어서 돌출한다. 이와 같은 것이 의미하는 바는 상기 스핀들이 작업편과 접촉하게 된다면 작업편이 상기 내측 연삭 휠(32)이 아닌 상기 외측 연삭 휠(22)에 의하여 작업된다는 것이라는 것이 이해되어야 한다(상기 작업편이 대체적으로 평평하다는 가정). 그러나 상기한 바와 같이, 상기 내측 샤프트(3)는 상기 외측 샤프트(2)에 대한 축 방향 이동을 위하여 배열된다. 따라서 상기 내측 연삭 휠(32)이 상기 외측 연삭 휠(22)을 넘어서 돌출하도록 상기 내측 샤프트(3)는 보다 연장된 위치(도 1에 도시된 스핀들의 방향의 좌측을 향해서)로 이동될 수 있다. 이와 같은 경우에, 만일 상기 스핀들이 작업편과 접촉하게 된다면(한 편 상기 샤프트 어셈블리는 회전하고 있다) 상기 내측 연삭 휠(32)은 상기 작업편에 작용하여 상기 작업편을 연삭한다(이 때도 상기 작업편이 대체적으로 평평하다고 가정).

외측 샤프트(2) 내에서 축 방향으로 이동가능함으로써 작업편을 선택적으로 상기 내측 샤프트에 장착된 도구 또는 상기 외측 샤프트에 장착된 도구를 사용하여 기계 가공할 수 있는 내측 샤프트(3)를 구비하는 이러한 일반적인 배열(configuration)은 본 발명의 스핀들이 배열되어 수행하는 일반적으로 전반적인 기능이다. 이것의 구성 및 작동의 보다 상세한 태양들 중 일부가 이하에서 기술될 것이며 본 명세서에서 보다 관심 있게 기술된다.

상기 내측 샤프트가 도 1에 도시된 수축 위치에 있는 상태로, 상기 내측 샤프트(3)의 볼록하게 굽어진 테이퍼 형상부(33)는 상기 외측 샤프트(2)의 오목한 테이퍼 형상부(23)와 긴밀한 접촉(intimate contact) 상태에 있다. 이러한 두 개의 테이퍼들(23, 33)의 긴밀한 인터페이싱(intimate interfacing)은 상기 내측 샤프트(3)가 상기 외측 샤프트(2)로 더 이상 수축되는 것을 방지하며 상기 내측 샤프트를 상기 외측 샤프트(2)에 대하여 단단히 고정된 위치에서 유지한다. 따라서 이러한 테이퍼들(23, 33)은 상기 외측 샤프트(2)에 대한 상기 내측 샤프트(3)의 움직임의 한 끝을 한정한다.

상기 외측 휠 마운트(21)는 반경 방향의 내측 가장자리에 리베이트(rebate)를 구비하는 링과 같은 정지 부재(ring-like stop member)(24)를 포함한다. 상기 내측 샤프트(3)는 상기 내측 샤프트가 최대 허용 연장 위치에 있을 때 반경 방향의 내측 가장자리에 의하여 형성된 외측 샤프트 정지 부재(24)의 레지(ledge)에 대하여 맞대도록 배열되는 반경 방향의 레지를 포함하는 정지부(34)를 구비한다. 즉, 두 개의 정지 부재들(24, 34)은 상기 내측 샤프트(3)가 연장 위치를 향해서 구동될 때 상기 외측 샤프트(2)에 대한 상기 내측 샤프트(3)의 추가적 이동이 상기 두 개의 정지 부재들 사이의 접촉에 의해서 정지되도록 배열된다. 따라서 정확하게 결정된 반복된 위치에서 움직임이 정지된다. 이것이 의미하는 바는 상기 내측 샤프트(3)가 연장 위치에 있을 때 상기 내측 연삭 휠이 또한 상기 스핀들에 대하여 정 확하게 정해진 반복적인 위치에 있다는 것이다.

이러한 정지부들이 상기 연삭 휠들(22, 32) 주변에, 사실 이에 인접하여 있다는 것을 주지하여야 한다. 또한 이것은 완전 정지 구성 요소(dead stop component)들이 보다 멀리 떨어져서 제공되는 경우보다 완전 정지 위치(dead stop position)를 결정하는 그러한 구성 요소들(24 ,34)과 상기 휠(32) 자체와의 사이에 보다 적은 수의 구성 요소들이 있기 때문에 연장 위치에서 상기 내측 연삭 휠(32)을 위하여 반복될 수 있는 정확한 위치를 얻는 데에 도움이 된다. 이것은 연장 위치에서의 내측 연삭 휠의 위치가 마모, 제조 오차, 및 온도(열적 성장)와 같은 인자들로 인하여 변화하는 가능성을 감소시킨다.

본 실시예에서는 상기 내측 샤프트(3)와 외측 샤프트(2)와의 사이에 상대적 회전이 없다는 점을 주지하여야 한다. 드라이브 핀들(P)은 상기 외측 샤프트(2)로부터 내측 샤프트(3)로 회전 구동력을 전달하기 위하여 제공된다. 이것들은 상기 외측 휠 마운트(21)에 나사 연결되며(드라이브 핀들 중에서 오직 하나만이 도 4의 도면에 나타날 수 있지만 현재 2개가 사용되고 있다) 그리고 대응하는 수의 고정 나사들을 대체하기 위하여 사용된다. 상기 드라이브 핀의 돌출하는 평탄 생크부(shank portion)는 상기 내측 휠 마운트(21)의 막힌 구멍(blind hole)들과 정렬된다. 이것은 효율적으로 상기 휠 마운트들(21, 31)과 결과적으로 상기 샤프트들(2, 3)을 함께 "고정한다(peg)".

상기 내측 휠 마운트(31)로의 상기 드라이브 핀들(P)을 결합은 최대로 전진된 스트로크(stroke)에서 조차도 여전히 상기 핀들의 결합이 유지될 수 있을 정도 이다. 상기 스핀들의 노우즈(nose)에 위치하는 드라이브 핀들의 장점은 샤프트 커플링 장치(shaft coupling mechanism)의 비틀림 강성을 최대화하는 것이다. 상기 외측 샤프트(2)에 대한 상기 내측 샤프트(3)의 축 방향 운동은 두 개 조의 선형 볼 베어링 랙(linear ball bearing rack)(6)에 의해서 인도된다.

상기 내측 샤프트는 (도 1에 도시된 바와 같은) 수축 위치와 (상기 내측 연삭 휠(32)이 상기 외측 연삭 휠(22)을 넘어서 연장하는) 연장 위치와의 사이에서 본 실시예에서는 공압 액추에이터 장치(7)의 형태를 취하는 유체압 구동 액추에이터 장치에 의하여 구동된다.

상기 공압 액추에이터 장치의 상세를 도 2에서 보다 명료하게 볼 수 있다. 상기 공압 액추에이터 장치(7)는 상기 내측 샤프트를 상기 수축 위치(도 1에 도시)로부터 상기 연장 위치로 구동하기 위하여 그리고 또한 상기 내측 샤프트(3)를 상기 연장 위치로부터 역으로 상기 수축 위치를 향해서 구동하기 위하여 배열된 복동 공압 액추에이터이다.

피스톤 스템부(piston stem portion)(71)는 상기 연삭 휠(32)을 운반하는 단부의 반대 방향의 내측 샤프트(3)의 단부에 제공된다. 복동 피스톤 부재(72)는 상기 피스톤 스템(71)에 장착되며 링 너트(ring nut)(73)에 의하여 소정의 위치에 잠긴다. 상기 피스톤(72)은 (상기 외측 샤프트(22)에 배치되고 상기 피스톤 스템(71)이 통과하는) 피스톤 밀봉 플레이트(piston seal plate)(74)와 상기 외측 샤프트(2)의 주 부분(main part)의 내부 곡형 벽, 및 상기 외측 샤프트(2)의 주 부분에 장착된 외측 샤프트 연장부(outer shaft extension portion)(25)에 의해서 상기 스 핀들의 나머지로부터 밀봉되는 챔버 내에서 이동하도록 배열된다.

상기 공압 액추에이터 장치(7)는 상기 외측 샤프트(2)와 함께 회전하도록 배열된다는 것을 알 수 있다. 따라서 본 실시예에서는 상기 공압 액추에이터 장치(7)는 두 개의 샤프트 모두(2, 3)― 샤프트 어셈블리와 함께 회전한다. 이것은 이전 단락에서 언급된 부분들로 구성된 피스톤 하우징을 포함한다.

가압된 공기가 상기 피스톤 밀봉 플레이트(74)가 제공되는 피스톤(72)의 부분(side), 즉 상기 도구들이 장착되는 샤프트의 자유 단부에 가장 근접한 부분(side)에 공급된다면, 상기 피스톤(72)은 상기 도구들이 장착되는 샤프트의 자유 단부로부터 떨어지게 구동되며, 따라서 상기 내측 샤프트(3)는 도 1에 도시된 바와 같이 수축된 위치(3)로 끌린다. 이러한 이동은 짝을 이루는 테이퍼 표면들(33, 34)이 서로 접촉 할 때까지 일어난다. 반면에 만일 가압된 공기가 피스톤(73)의 반대q부분에 공급된다면 상기 피스톤(73)은 도구들(22, 32)이 장착되는 샤프트의 단부 쪽으로 구동되며 따라서 상기 내측 샤프트(3)는 상기 정지부(24, 34)가 확고하게 서로 맞대게 될 때까지 연장 위치를 향해서 구동된다.

따라서 상기 피스톤(72)의 양 부분 각각의 챔버들로 공급되는 공기를 제어함으로써 수축 위치 및 연장 위치와의 사이에서 상기 내측 샤프트(3)를 구동하는 것이 가능해진다.

상기 피스톤(72)의 양 부분 각각에 가압된 공기를 공급하기 위한 채널들(9a, 9b)이 제공되며 도 2에서 이들을 볼 수 있다. 제1 채널(9a)은 상기 도구들(22, 32)이 장착되는 샤프트들(2, 3)의 단부에 가장 근접한 피스톤(72)의 부분에 공기를 공 급하기 위하여 배열되며 제2 채널(9b)은 상기 피스톤(72)의 반대편에 공기를 공급하기 위하여 제공된다. 공기 공급 밀봉 베어링(10)은 상기 도구들(32, 22)이 장착되는 단부의 반대편의 스핀들 단부에 제공된다. 이러한 공기 공급 밀봉 베어링(10)은 제1 및 제2 공급 채널들(9a, 9b)에 공기를 공급하기 위하여 배열된다.

제1 공기 공급 채널(9a)은 상기 공기 공급 밀봉 베어링(10)의 영역으로부터 상기 연장부(25)에 제공되는 갤러리(gallery)(9a)를 지나서 상기 채널이 이것을 통과하여 앞으로 나가는 것을 가리키는 상기 외측 샤프트(2)의 주 부분을 상기 채널이 만날 때까지 상기 도구들(23, 32)이 장착되는 샤프트들(2, 3)의 단부에 가장 근접한 피스톤(71)의 부분으로 통과한다. 반면에 제2 공기 공급 채널(9b)은 상기 공기 공급 밀봉 베어링(10)의 영역으로부터 상기 연장부(25)에 제공된 갤러리(9b)를 포함하며 피스톤(72)의 반대 부분의 챔버로 바로 나간다. 도 2와 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이 상기 두 개의 공기 공급 채널 또는 상기 연장부(25)의 공기 공급 채널들(9a, 9b)의 적어도 일부는 서로 원주 방향으로 간격을 두고 있다.

각각의 공기 공급 채널(9a, 9b)은 상기 공기 공급 밀봉 베어링(10)의 영역에 각각의 흡입구(91a, 91b)를 구비하고 있다. 이러한 공기 공급 흡입구들(91a, 91b)은 서로 축 방향으로 간격을 두고 있다. 본 실시예에서는 이러한 공기 공급 흡입구들은 또한 원주 방향으로 간격을 두고 있다.

상기 공기 공급 밀봉 베어링(10)은 상기 스핀들(1)의 주 몸체의 후방 덮개(1a)에 장착되는 대체적으로 환상인 구성 요소이다. 상기 공기 공급 밀봉 베어링(10)의 내측 곡형 표면은 이것이 통과, 이 경우에는 상기 공기 공급 밀봉 베어 링(10)의 보어를 통과할 때 상기 연장부(25)의 외측 곡형 표면을 향한다. 상기 공기 공급 밀봉 베어링(10)의 내측 곡형 표면은 서로 축 방향으로 간격을 두고 있는 두 개의 원주 방향 홈(11a, 11b)을 포함한다. 이러한 원주 방향 홈들 중 제1 홈(11a)은 상기 공기 공급 채널들의 제1 채널(9a)의 흡입구(91a)와 축 방향으로 정렬되며 상기 원주 방향 홈들 중 제2 홈(11b)은 제2 공기 공급 채널(9b)의 흡입구(91b)와 정렬된다. 상대적으로 바람직하지 않은 대안으로서, 원주 방향의 홈은 단순한 흡입구들(91a, 91b) 대신에 상기 연장부의 외측 표면에 제공될 수 있으며 단순한 배출구들은 상기 원주 방향의 홈들(11a, 11b) 대신에 제공될 수 있다.

또한 상기 공기 공급 밀봉 베어링(10)은 상기 베어링이 공기 베어링(air bearing)으로서 역할을 할 수 있도록 하고 밀봉(sealing)을 제공할 수 있도록 하는 에어 제트(air jet)들(12), 및 배출 기체(exhaust air)가 상기 공기 공급 밀봉 베어링(10)에 의하여 형성된 공기 베어링으로부터 빠져나가도록 하는 배출 기체 홈(exhaust air groove)들(13)을 포함한다. 상기 공기 공급 밀봉 베어링(10)은 상기 외측 샤프트 연장부(25)에 두 개의 분리된 공기 주입부(air feed)를 제공하도록 배열된 비접촉 밀봉 베어링임을 주지하여야 한다.

상세하게 도시되지 않았지만, 분리된 각각의 공기 제공부(air supply)가 독립적으로 제어될 수 있는 축 방향으로 간격을 두고 있는 원주 방향의 홈들(11a, 11b)에 제공된다. 이것이 의미하는 바는 공기가 선택적으로 상기 피스톤(72)의 한 측 또는 다른 측에 공급될 수 있다는 것이다. 또한 상기 홈들(11a, 11b)의 각각이 선택적으로 상기 피스톤(72)의 관련된 부분에 공기를 공급하기 위한 공기 제공부에 연결되거나 또는 공기가 상기 피스톤의 관련된 부분으로부터 대기로 배출되도록 연결될 수 있도록 하는 밸브가 제공된다.

상기 공기 공급 밀봉 베어링(10)은 두 개의 독립적인 공기 제공부가 상기 샤프트에 전달할 수 있도록 한다.

상기 스핀들의 작동에 있어서, 공기가 각각의 공기 채널들(9a, 9b)의 하나를 통해서 상기 피스톤(72)의 한 부분의 챔버에 공급될 때 다른 각각의 공기 채널(9a, 9b)은 상기 피스톤의 각각의 부분의 챔버의 공기가 빠져나갈 수 있도록 대기에 연결된다. 이러한 방식으로 알려진 공기 압력이 상기 피스톤(72)의 일 측에 가해질 수 있고 상기 피스톤(72)의 다른 측의 공기가 빠져나가도록 허용될 때 재생 가능한 힘이 상기 내측 샤프트(3)에 가해질 수 있다.

본 발명의 스핀들의 작동 시에, 상기 내측 샤프트(3)를 완전 연장 위치 또는 완전 수축 위치로 유지하기 위하여 공기 압력은 거의 내내 상기 피스톤(72)의 한 부분 또는 다른 부분들로 유지된다. 이것은 상기 시스템의 상태를 완전 수축 상태로부터 완전 연장 상태로 변경하는 것이 요구될 때, 제어된 방식으로 상기 피스톤(72)의 각각의 부분으로부터 공기의 방출과 공기의 전달을 제어하는 밸브들(도시되지 않음)을 사용함으로써 제어된 방식으로 이루어질 수 있다.

완전성을 위하여 상기 내측 샤프트(3)와 상기 피스톤 스템부(71)와 상기 외측 샤프트 연장부(25)를 관통하는 중앙 보어는 상기 연삭 휠에 냉각제(coolant)를 작동 중에 공급하기 위한 것이라는 점을 언급한다. 회전 커플링(rotary coupling)(C)은 이 냉각제의 공급부와 상기 연장 휠들(22, 32)로부터 떨어진 중앙 보어의 단부 사이에 제공된다.

본 발명에 있어서 공통의 비접촉 공기 베어링 밀봉 유닛이 냉각제 유체를 전달하도록 하기 위한 회전 커플링과 상기한 공기 공급 밀봉 베어링의 결합된 기능을 가져오기 위하여 제공될 수 있다. 그러한 공통의 밀봉 유닛은 상기 공기 공급 밀봉 베어링과 회전 커플링을 대체한다. 그러한 장치는 접촉 밀봉 면들 때문에 상기 회전 커플링에 의해 유발될 수 있는 바람직하지 않은 진동 효과를 제거하는 데 도움이 될 수 있다.

지금의 실시예는 샤프트 어셈블리(23)가 회전하는 동안에 상기 내측 샤프트(3)가 상기 외측 샤프트(2)에 대하여 축 방향으로 이동되도록 하며 그리고 상기 내측 샤프트(3)의 연장 및 수축 속도를 밀접하게 제어하는 능력과 함께 연장 및 수축 장치로부터 기계적 구성 요소들을 제거하는 것은 유연한 작동을 상당히 증대시킬 수 있고 진동에 의하여 유발되는 바람직하지 않은 효과들을 제거할 수 있다.

기계적 부품들의 회피는 개선된 위치 반복성의 특성을 가져오며 정비 요구를 감소시킨다. 또한 이것은 위치 크리프(positional creep), 불균형 시스템들, 진동 및 스프링 페이드(spring fade)와 연관된 문제점들을 감소시키거나 제거한다.

본 발명에 있어서, 다수의 피스톤들이 제공될 수 있다. 이것들은 축 방향으로 정렬되어, 즉 축 방향으로 앞뒤로 배열될 수 있다. 공급부(feed)들이 각 피스톤의 각각의 부분(side)에 제공될 수 있다. 이와 같은 장치는 연장 및/또는 수축에서 상기 내측 샤프트에 보다 큰 힘이 가해지게 한다.

Claims

작업편을 기계 가공하기 위한 제1 도구를 운반하기 위하여 배열된 내측 샤프트(inner shaft)와 상기 작업편을 기계 가공하기 위한 제2 도구를 운반하기 위하여 배열된 외측 샤프트(outer shaft)를 포함하는 기계 가공 스핀들로서,

상기 샤프트들은 공통 축에 대한 회전과 서로에 대한 축 방향 이동을 위하여 장착되며,

상기 기계 가공 스핀들은 주 몸체(main body)를 또한 포함하고, 상기 샤프트들은 상기 주 몸체 내에서 저널(journal) 구조로 형성되며,

상기 내측 샤프트는 외측 샤프트 내에 배치되고, 상기 외측 샤프트는 다시 상기 주 몸체 내에서 저널 구조로 형성되며,

상기 내측 샤프트와 외측 샤프트는 제1 상태와 제2 상태 사이에서 서로에 대해서 이동가능하며,

상기 내측 샤프트는 상기 제1 상태에서보다 상기 제2 상태에서 상기 외측 샤프트에 대해서 더 많이 수축되며,

상기 기계 가공 스핀들은 상기 제1 상태로부터 상기 제2 상태로 상기 샤프트들을 구동하고 상기 제2 상태로부터 상기 제1 상태로 상기 샤프트들을 구동하기 위한 유체압 구동 액추에이터 장치(fluid pressure driven actuator arrangement)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유체압 구동 액추에이터 장치는 상기 외측 샤프트 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 유체압 구동 액추에이터 장치는 상기 외측 샤프트와 함께 회전하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 내측 샤프트와 상기 외측 샤프트 중 적어도 하나는 유체를 상기 유체압 구동 액추에이터 장치에 공급하기 위한 유체 공급 채널의 적어도 일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유체압 구동 액추에이터 장치는 복동 피스톤 어셈블리(double acting piston assembly)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유체압 구동 액추에이터 장치는 다수의 피스톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

두 개의 유체 공급 채널(fluid supply channel)을 구비하되,

상기 채널들 중 제1 채널은 상기 샤프트들을 제1 상태로부터 제2 상태로 구동하기 위하여 유체를 상기 유체압 구동 액추에이터 장치에 공급하기 위한 것이며,

상기 채널들 중 제2 채널은 상기 샤프트들을 제2 상태로부터 제1 상태로 구동하기 위하여 유체를 상기 유체압 구동 액추에이터 장치에 공급하기 위한 것인 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
제7항에 있어서,

상기 제1 및 제2 채널들 중 적어도 각각의 부분들은 원주 방향으로(circumferentially) 서로 간격을 두고 있는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
제7항 또는 제8항에 있어서,

상기 제1 및 제2 채널들 각각은 구동 유체를 수용하기 위한 각각의 흡입구를 구비하고 있으며 상기 각각의 흡입구들은 서로 축 방향으로 간격을 두고 있는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
제9항에 있어서,

상기 스핀들은 상기 각각의 흡입구들을 통해서 상기 채널들에 유체를 공급하기 위한 유체 공급부(fluid supply portion)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
제10항에 있어서,

상기 유체 공급부는 개구부를 한정하고, 채널 흡입구들을 형성하는 구성 요소가 상기 개구부 내로 돌출하는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
제10항 또는 제11항에 있어서,

상기 유체 공급부는 상기 채널들로의 흡입구들을 향하는 표면을 구비하는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
제12항에 있어서,

상기 표면은 서로 축 방향으로 간격을 두고 있는 두 개의 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
제13항에 있어서,

상기 배출구들 중 제1 배출구는 공기를 상기 흡입구들 중 제1 흡입구로 공급하기 위하여 배열되며 상기 배출구들 중 제2 배출구는 공기를 상기 흡입구들 중 제2 흡입구로 공급하기 위하여 배열되는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
제13항 또는 제14항에 있어서,

각각의 배출구는, 상기 유체 공급부의 표면에 의하여 형성된 두 개의 축 방향으로 간격을 두고 있는 홈이 제공되도록 상기 유체 공급부의 표면에 배치된 연관된 홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
제14항 또는 제15항에 있어서,

상기 배출구들 중 제1 배출구는 상기 흡입구들 중 제1 흡입구와 축 방향으로 정렬되며 상기 배출구들 중 제2 배출구는 상기 흡입구들 중 제2 흡입구와 축 방향으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유체 공급부는 대체적으로 환상인 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
제13항을 인용하는 제17항에 있어서,

상기 배출구들이 상기 환상의 유체 공급부의 내측 원주 방향 표면에 제공되는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
제10항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유체 공급부는 비접촉 밀봉 베어링(non-contact seal bearing)을 포함하는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
제7항을 인용하는 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 외측 샤프트는 상기 제1 및 제2 채널의 적어도 일부를 형성하며 상기 내측 샤프트에 의해 점유된 영역을 넘어서 연장하는 연장부(extension portion)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

유체가 공급되는 외측 샤프트의 연장부가 배치되는 보어(bore)를 구비하는 유체 공급부를 포함하고,

상기 보어의 표면은, 서로 축 방향으로 간격을 두고 있고 따로따로 유체를 공급받도록 배열된 두 개의 유체 공급 홈을 구비하며,

상기 연장부는 두 개의 분리된 유체 채널을 포함하고 상기 유체 채널 각각은 각각의 흡입구를 구비하며,

상기 흡입구들은 서로 축 방향으로 간격을 두고 있으며 각각의 흡입구는 상기 홈들 중 각각의 하나의 홈과 축 방향으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스핀들은 상기 내측 및 외측 샤프트의 서로에 대한 이동을 제한하기 위한 적어도 하나의 완전 정지부(dead stop portion)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
제22항에 있어서,

제1 상태에서 상기 내측 및 외측 샤프트의 상대적인 위치를 결정하기 위하여 상기 완전 정지부가 배열되는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
제23항에 있어서,

제2 완전 정지부는 제2 상태에서 상기 내측 및 외측 샤프트의 상대적인 위치를 결정하기 위하여 배열되는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
제24항에 있어서,

상기 내측 및 외측 샤프트는 각각의 짝을 이루는 테이퍼(taper)들을 포함하며 상기 짝을 이루는 테이퍼들은 완전히 결합될 때 제2 상태에서 상기 내측 및 외측 샤프트의 상대적인 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유체압 구동 액추에이터 장치는 공압 액추에이터 장치(pneumatic actuator arrangement)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스핀들은 적어도 하나의 공기 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 기계 가공 스핀들.
내부로 유체가 공급되는 샤프트부(shaft portion)가 배치되는 보어를 구비하는 유체 공급부를 포함하며 ,

상기 보어의 표면이, 축 방향으로 서로 간격을 두고 있고 따로따로 유체를 공급받도록 배열된 두 개의 유체 공급 배출구를 가지며,

상기 샤프트부는 두 개의 분리된 유체 채널들을 구비하되 상기 유체 채널 각각은 각각의 흡입구를 구비하며,

상기 흡입구들은 서로 축 방향으로 간격을 두고 있으며 각각의 흡입구는 상기 배출구들 중 각각의 하나의 배출구와 축 방향으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 유체 공급 장치(fluid supply arrangement).
내부로 유체가 공급되는 샤프트부(shaft portion)가 배치되는 보어를 구비하는 유체 공급부를 포함하며,

상기 보어의 표면이, 축 방향으로 서로 간격을 두고 있고 따로따로 유체를 공급받도록 배열된 두 개의 유체 공급 홈을 가지며,

상기 샤프트부는 두 개의 분리된 유체 채널을 구비하되 상기 유체 채널 각각 은 각각의 흡입구를 구비하며,

상기 흡입구들은 서로 축 방향으로 간격을 두고 있으며 각각의 흡입구는 상기 홈들 중 각각의 하나의 홈과 축 방향으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 유체 공급 장치.