KR20080055918A - 미세복제 공구를 생성하기 위한 정렬된 다중 다이아몬드절삭 공구 조립체 - Google Patents

미세복제 공구를 생성하기 위한 정렬된 다중 다이아몬드절삭 공구 조립체 Download PDF

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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

본 발명은 미세복제 공구 내에 홈을 생성하는 데 사용되는 절삭 공구 조립체에 관한 것이다. 절삭 공구 조립체는 장착 구조체와, 10 미크론 미만의 허용 오차로 장착 구조체 내에 정렬되는 다수의 다이아몬드들을 포함한다. 예를 들어, 제1 및 제2 다이아몬드 팁을 갖는 제1 및 제2 공구 섕크는 제1 다이아몬드 팁의 절삭 위치가 제2 다이아몬드 팁의 절삭 위치와 동일하게 되도록 장착 구조체 내에 위치될 수 있다. 하지만, 제2 다이아몬드 팁은 제1 다이아몬드 팁보다 장착 구조체로부터 더욱 이격된 소정의 간격을 가질 수 있거나, 또는 제2 다이아몬드 팁은 제1 다이아몬드 팁과는 다른 형상을 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 제1 다이아몬드 팁은 공작물 내에 홈을 절삭하고 제2 다이아몬드 팁은 상기 홈 내에 하위 형상체를 절삭하여 다중 형상의 홈을 생성할 수 있다.
장착 구조체, 공구 섕크, 절삭 공구 조립체, 다이아몬드 팁, 공작물

Description

미세복제 공구를 생성하기 위한 정렬된 다중 다이아몬드 절삭 공구 조립체{ALIGNED MULTI-DIAMOND CUTTING TOOL ASSEMBLY FOR CREATING MICROREPLICATION TOOLS}
본 발명은 미세복제 구조체(microreplicated structure)를 생성하는 데 사용되는 미세복제 공구(microreplication tool)의 다이아몬드 기계 가공에 관한 것이다.
다이아몬드 기계 가공 기술은 미세복제 공구와 같은 아주 다양한 공작물을 생성하는 데 사용될 수 있다. 미세복제 공구는 미세복제 구조체의 생성을 위해 압출 공정, 사출 성형 공정, 엠보싱 공정, 주조 공정 등에 일반적으로 사용될 수 있다. 미세복제 구조체는 광학 필름, 연마 필름, 접착 필름, 자기 정합 특성(self-mating profile)을 갖는 기계식 패스너, 또는 대략 1000 미크론 미만의 치수와 같은 비교적 작은 치수의 미세복제 형상체(feature)를 갖는 임의의 성형 또는 압출 부품을 포함할 수 있다.
미세복제 공구는 주조 벨트, 주조 롤러, 사출 금형, 압출 또는 엠보싱 공구 등을 포함한다. 미세복제 공구는 다이아몬드 기계 가공 공정에 의해 생성될 수 있으며, 이 공정 중에 미세복제 공구 내에 홈 또는 다른 형상체를 절삭 가공하기 위 해 절삭 공구 조립체가 사용된다. 절삭 공구 조립체를 사용하여 미세복제 공구를 생성하는 공정은 비용이 많이 들고 시간이 많이 소비될 수 있다.
발명의 개요
일반적으로, 본 발명은 절삭 방향을 따라 정렬된 다수의 다이아몬드들을 포함하는 절삭 공구 조립체에 관한 것이다. 절삭 방향을 따라 정렬된 다수의 다이아몬드들을 갖는 절삭 공구 조립체는 미세복제 공구 또는 다른 공작물의 생성에 사용될 수 있다. 특히, 절삭 공구 조립체의 다수의 다이아몬드들은 이 조립체의 단일 절삭 패스(pass) 중에 미세복제 공구 내에 다수의 절삭을 통한 깊은 홈, 다중 형상의 홈 또는 다른 형상체를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 단일 절삭 패스로 다중 형상의 홈을 형성할 수 있으므로, 다수의 다이아몬드들을 갖는 절삭 공구 조립체는 제조 시간을 단축시킬 수 있고/있으며 더 복합적인 패턴을 생성할 수 있다.
절삭 공구 조립체는 장착 구조체와 그 장착 구조체 내에 장착되는 다수의 공구 섕크(tool shank)들을 포함할 수 있다. 각각의 공구 섕크는 절삭 공구 조립체의 절삭 팁(tip)으로서 사용되는 다이아몬드 팁을 형성할 수 있다. 공구 섕크의 다이아몬드 절삭 팁은 미세복제 공구 내에 생성될 홈의 하위 형상체(sub-feature)에 대응되도록 정밀하게 형성될 수 있다. 더욱이, 공구 섕크들은 각각의 깊이 또는 형상(feature)이 미세복제 공구 내로 절삭될 수 있도록 장착 구조체 내에 정밀하게 정렬되고 서로 다른 높이에 위치될 수 있다. 따라서, 절삭 공구 조립체의 서로 다른 다이아몬드 팁들은 미세복제 공구 내에 생성될 홈의 서로 다른 하위 형상체에 대응될 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명은 장착 구조체와, 장착 구조체 내에 장착되고 1 ㎜ 미만의 폭을 한정하는 제1 다이아몬드 팁을 형성하는 제1 공구 섕크와, 장착 구조체 내에 장착되고 1 ㎜ 미만의 폭을 한정하는 제2 다이아몬드 팁을 형성하는 제2 공구 섕크를 포함하는 절삭 공구 조립체를 포함하며, 여기서 제1 및 제2 공구 섕크는 제1 및 제2 다이아몬드 팁이 10 미크론 미만의 허용 오차 내에서 절삭 공구 조립체의 절삭 방향으로 정렬되도록 장착 구조체 내에 위치된다.
다른 실시예에서, 본 발명은 1 ㎜ 미만의 폭을 한정하는 제1 다이아몬드 팁을 형성하는 제1 공구 섕크를 장착 구조체 내에 장착하는 단계와, 1 ㎜ 미만의 폭을 한정하는 제2 다이아몬드 팁을 형성하는 제2 공구 섕크를 장착 구조체 내에 장착하는 단계와, 제1 및 제2 다이아몬드 팁이 10 미크론 미만의 허용 오차 내에서 제1 및 제2 다이아몬드 팁의 절삭 방향으로 정렬되도록 제1 및 제2 공구 섕크를 장착 구조체 내에 정렬시키는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
대안적인 실시예에서, 본 발명은 장착 구조체와 이 장착 구조체 내에 장착되는 공구 섕크를 포함하는 절삭 공구 조립체를 제공하며, 여기서 공구 생크는 1 ㎜ 미만의 폭을 한정하는 제1 다이아몬드 팁과 1 ㎜ 미만의 폭을 한정하는 제2 다이아몬드 팁을 형성하며, 제1 및 제2 다이아몬드 팁은 절삭 공구 조립체의 절삭 방향으로 정렬된다.
동일한 조립체에 다수의 정렬된 다이아몬드 절삭 팁들을 사용함으로써, 미세복제 공구의 생성이 향상되거나 단순화될 수 있다. 특히, 미세복제 공구 내에 깊은 홈을 절삭하는 데에 더 적은 수의 절삭 공구 조립체의 절삭 패스가 필요할 수 있으며, 이는 공구 가공 비용을 절감할 수 있다. 예를 들어, 절삭 공구 조립체가 2개의 다이아몬드를 포함하면, 제1 다이아몬드는 홈을 생성할 수 있고 제2 다이아몬드는 그 홈을 더욱 깊게 할 수 있다. 미세복제 공구 내에 깊은 홈을 절삭하는 데 필요한 패스의 수가 절반만큼 줄어들 수 있다.
또한, 일부 실시예에서는, 서로 다른 다이아몬드 팁들이 서로 다른 하위 형상체를 한정하여 미세복제 공구의 복합적인 홈을 생성할 수 있다. 이러한 경우, 홈에 2개 이상의 물리적으로 별개의 형상을 생성하기 위해 서로 다른 절삭 공구 조립체들을 사용하는 것이 회피될 수 있으며, 대신에 미세복제 공구 내의 홈에 2개 이상의 물리적으로 별개의 하위 형상체를 생성하기 위해 단일 조립체가 사용될 수 있다. 이러한 기법은 미세복제 공구의 품질을 향상시킬 수 있고, 미세복제 공구의 생성에 관련된 비용 및 시간을 절감시킬 수 있으며, 이는 이어서 미세복제 구조체의 궁극적인 생성에 관련된 비용을 효과적으로 절감시킬 수 있다. 각각의 다이아몬드 팁을 1 미크론 미만의 허용 오차로 정렬시킴으로써 다수의 정렬된 다이아몬드 절삭 팁들이 현저한 변화(noticeable variation)없이 다중 형상의 홈을 생성할 수 있다.
이들 및 다른 실시예의 추가 상세 사항이 첨부 도면 및 이하의 상세한 설명에 설명된다. 다른 특징, 목적 및 이점들은 상세한 설명 및 도면과 청구의 범위로부터 명확하게 될 것이다.
도 1은 플라이 커팅(fly-cutting)용으로 구성된 다중 다이아몬드 절삭 공구 조립체의 평면도.
도 2는 플런지 커팅(plunge cutting) 또는 스레드 커팅(thread cutting)용으로 구성된 다중 다이아몬드 절삭 공구 조립체의 측면도.
도 3은 플라이 커팅용으로 구성된 다중 다이아몬드 절삭 공구 조립체의 일 실시예를 보다 상세하게 도시한 평단면도.
도 4는 플런지 커팅용 또는 스레드 커팅용으로 구성된 다중 다이아몬드 절삭 공구 조립체의 일 실시예를 보다 상세하게 도시한 측단면도.
도 5는 미세복제 공구의 생성 중에 하나의 홈을 절삭하는 플라이 커팅용 다중 다이아몬드 절삭 공구 조립체의 개념적인 사시도.
도 6은 미세복제 공구의 생성 중에 하나의 홈을 절삭하는 플런지 커팅용 또는 스레드 커팅용 다중 다이아몬드 절삭 공구 조립체의 개념적인 사시도.
도 7은 플런지 커팅용 또는 스레드 커팅용 다중 다이아몬드 절삭 공구 조립체의 다른 측면도.
도 8A 및 도 8B는 다수의 팁들을 구비한 단일 다이아몬드 절삭 공구 조립체의 대안적인 실시예를 도시한 도면.
도 9A 및 도 9B는 공작물 내로 깊은 홈을 절삭하는 2개의 서로 다른 다중 다이아몬드 절삭 공구 조립체들과 이러한 절삭에 의해 공작물 내에 형성될 수 있는 홈을 도시한 다양한 측단면도.
도 10은 공작물 내로 홈을 절삭하는 다중 다이아몬드 절삭 공구 조립체와 이러한 절삭에 의해 공작물에 형성되는 홈과 돌출부를 도시한 평단면도.
도 11은 다중 다이아몬드 절삭 공구 조립체에 의해 공작물 내에 형성되는 홈과 돌출부를 도시한 평단면도.
도 12는 다중 다이아몬드 절삭 공구 조립체에 사용될 수 있는 다이아몬드의 사시도.
도 13 내지 도 18은 본 발명의 여러 가지 실시예들에 따른 다중 다이아몬드 절삭 공구 조립체들을 도시한 추가적인 평단면도.
도 19 및 도 20은 다중 다이아몬드 플라이 커팅 로터의 개념적인 사시도.
도 21은 공구 섕크가 회전축에 평행하게 장착된 플라이 커팅용으로 구성된 다중 다이아몬드 절삭 공구 조립체의 평면도.
도 1은 장착 구조체(20) 내에 장착된 2개의 공구 섕크(12, 16)를 구비한 절삭 공구 조립체(10)의 평면도이다. 절삭 공구 조립체(10)는 플라이 커팅용으로 구성되며, 여기서 조립체(10)는 축(24)을 중심으로 회전된다. 예를 들어, 조립체(10)는 구동 샤프트(22)에 장착될 수 있으며, 이 구동 샤프트는 조립체(10)를 회전시키기 위해 공구 가공 기계(tooling machine)(미도시)의 모터에 의해 구동될 수 있다. 장착 구조체(20)는 다이아몬드 팁(14, 18)을 각각 포함하는 공구 섕크(12, 16)를 유지시키는 구조체를 포함할 수 있다. 섕크(12, 16)는 금속 또는 복합 재료로 형성될 수 있으며, 다이아몬드는 실질적인 영구 고정 기구에 의해 섕크(12, 16)에 고정될 수 있다. 또한, 장착 구조체(20)는 구동 샤프트(22)에 대한 부착을 가능하게 하는 형상체를 포함할 수 있다.
다이아몬드를 공구 섕크(12, 16)에 고정시켜 다이아몬드 팁(14, 18)을 형성시키기 위해서, 경납땜(brazing), 연납땜(soldering), 또는 에폭시와 같은 접착제 등의 실질적인 영구 고정 기구가 사용될 수 있다. 이어서, 다이아몬드 팁(14, 18)을 구비한 공구 섕크(12, 16)는 하나 이상의 볼트, 클램프 또는 세트 스크류와 같은 임시 고정 기구를 통해 장착 구조체(20) 내에 장착된다. 대안적으로, 경납땜, 연납땜, 에폭시와 같은 접착제, 또는 다른 더 영구적인 고정 기구가 공구 섕크(12, 16)를 장착 구조체(20) 내에 고정시키기 위해 사용될 수 있다. 어느 경우든, 위치 제어 및 위치 피드백 기능을 구비한 공구 가공 마이크로스코프(tooling microscope)의 사용에 의해서, 다이아몬드 팁(14, 18)이 미세복제 공구의 효율적인 제조에 필요한 정밀도를 갖고서 서로에 대해 일정 높이로 위치되도록 공구 섕크(12, 16)가 장착 구조체(20) 내에 위치되는 것이 보장될 수 있다. 경우에 따라서는, 정렬된 팁(14, 18)은 동일한 높이로 위치될 수도 있다. 제2 팁(18)은 팁(14, 18)들 사이의 형상 차이로 인해 팁(14)과 다른 형상을 생성할 수 있다.
장착 구조체(20)는 절삭 공구 조립체(10)가 다이아몬드 공구 가공 기계 내로 삽입될 수 있게 하는 형상을 가질 수 있다. 또한, 다이아몬드 공구 가공 기계는 절삭 공구 조립체가 구동 샤프트(22)를 통해 축을 중심으로 회전되는 플라이 커팅용 다이아몬드 선반(diamond turning machine)일 수 있다.
공구 섕크(12, 16)의 각 다이아몬드 팁(14, 18)은 생성되는 미세복제 공구와 같은 공작물 내에 홈의 일정 깊이 또는 별개의 형상을 생성하는 별도의 절삭 기구를 각각 형성한다. 홈은 동일한 선형 위치에서 팁(14, 18)에 의해 공작물 상에 생성되는 형상체들의 임의의 조합을 나타낸다. 예를 들어, 제1 다이아몬드 팁(14)은 홈을 생성할 수 있으며, 이에 후속하여 다이아몬드 팁(18)은 그 홈을 더욱 깊게 하거나 그 홈에 하위 형상체를 생성할 수 있다. 다이아몬드 팁(18)의 증가된 높이로 인해, 공작물의 표면 내에 더 깊은 절삭부나 하위 형상체가 추가로 생성될 수 있다. 이렇게 생성된 홈은 본 명세서에서 다중 형상의 홈으로 불리며, 이 홈은 하나 초과의 형상체를 포함할 수 있다. 하나 초과의 팁에 의해 달성된 깊이를 갖는 홈은 깊은 홈(deep groove)으로 불린다. 경우에 따라서는, 하나의 홈은 더 깊은 절삭부와 하위 형상체의 조합일 수 있다. 다른 실시예에서, 다이아몬드 팁(18)은 다이아몬드 팁(14)에 의해 생성된 홈과 중첩되는 하위 형상체를 생성할 수 있다. 어느 경우든, 다중 형상의 홈은 공작물 내에서 하나의 연속하는 에지(edge)로 이루어져야 한다. 공작물은 구리, 니켈, 알루미늄, 아크릴과 같은 플라스틱, 또는 기계 가공 가능한 임의의 재료로 구성될 수 있다.
도 1에 도시한 실시예에서, 절삭 공구 조립체(10)는 다이아몬드 팁(14, 18)을 하나씩 각각 갖는 2개의 공구 섕크(12, 16)를 포함하지만, 본 발명의 원리에 따르면 다이아몬드 팁을 구비한 추가의 공구 섕크가 사용될 수 있다. 또한, 이하에 설명하는 원리는 다이아몬드당 하나 초과의 절삭 팁을 형성하는 다이아몬드와 함께 사용될 수 있도록 확장 적용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 공구 섕크(12, 16)는 다이아몬드 팁(14)과 다이아몬드 팁(18)이 절삭 방향에 평행한 동일 평면에서 정렬되도록 장착 구조체(20) 내에 위치된다. 이러한 위치에서, 팁(14)과 팁(18)은 공작물을 통한 연속 패스에서 동일한 홈에 기여할 것이다.
다이아몬드 팁(14, 18)의 수직 위치는 축(24)에 대하여 서로 다를 수 있다. 장착 구조체(20)의 표면 위로의 다이아몬드 팁(14)의 높이는 H1으로 정의되며, 장착 구조체의 표면 위로의 다이아몬드 팁(18)의 높이는 H2로 정의된다. H1과 H2 사이의 차이는 다이아몬드 팁(18)이 다이아몬드 팁(14)의 깊이(D1)를 초과하여 공작물 내로 절삭하는 증가된 깊이(D2)를 나타낸다. 깊이(D2)는 10 미크론 미만일 수 있다. 도 1의 실시예에서, H2는 H1보다 크다. 하지만, 다른 실시예들에서는 H1은 H2와 같을 수 있다. H1과 H2가 동일한 경우에, 팁(18)은 홈에 하위 형상체를 생성하기 위해 팁(14)과는 다른 형상을 가질 수 있다. 대안적으로, 다이아몬드 팁(18)은 다이아몬드 팁(14)의 경로를 단순히 뒤따라서 다이아몬드 팁(14)으로부터 남겨진 임의의 영역들을 청소할 수 있다.
도 2는 플런지 커팅 또는 스레드 커팅용으로 구성된 다중 다이아몬드 절삭 공구 조립체의 측면도이다. 플런지 커팅시, 절삭 공구 조립체(26)는 소정의 위치에서 일정 시간 동안 이동 공작물 내로 밀어 넣어진 후에, 여러 홈들의 절삭을 위해 다른 위치들로 이동된다. 스레드 커팅은 플런지 커팅과 유사하다. 하지만, 스레드 커팅시, 절삭 공구 조립체(26)는 긴 나사 홈의 절삭을 위해 보다 장시간 동안 이동 공작물 내로 이동된다. 절삭 공구 조립체(26)는 스크라이빙(scribing) 또는 룰링(ruling)에 사용될 수도 있으며, 이러한 경우에 절삭 공구 조립체(26)는 아주 느리게 공작물을 통해 이동된다.
도 1의 조립체(10)와 마찬가지로, 도 2의 절삭 공구 조립체(26)는 장착 구조체(36) 내에 고정된 다수의 공구 섕크(28, 32)들을 포함한다. 다이아몬드를 공구 섕크(28, 32)에 고정시켜 다이아몬드 팁(30, 34)을 형성시키기 위해서, 경납땜, 연납땜, 또는 에폭시와 같은 접착제 등의 실질적인 영구 고정 기구가 사용될 수 있다. 이어서, 다이아몬드 팁(30, 34)을 구비한 공구 섕크(28, 32)는 하나 이상의 볼트, 클램프 또는 세트 스크류와 같은 임시 고정 기구를 통해 장착 구조체(36) 내에 장착될 수 있다. 대안적으로, 경납땜, 연납땜, 에폭시와 같은 접착제, 또는 다른 더 영구적인 고정 기구가 공구 섕크(28, 32)를 장착 구조체(36) 내에 고정시키기 위해 사용될 수 있다.
위치 피드백 기능을 갖는 공구 가공 마이크로스코프의 사용에 의해서, 공구 섕크(28, 32)의 다이아몬드 팁(30, 34)이 미세복제 공구의 효율적인 공구 가공에 필요한 정밀도를 갖고서 장착 구조체(36) 내에 위치되는 것이 보장될 수 있다. 장착 구조체(36)는 플런지 커팅, 스레드 커팅, 스크라이빙 또는 룰링용으로 구성된 다이아몬드 공구 가공 기계 내로 절삭 공구 조립체(26)가 삽입될 수 있게 하는 형상을 가질 수 있다.
도 1과 유사하게, 공구 섕크(28, 32)의 각 다이아몬드 팁(30, 34)은 생성되는 미세복제 공구와 같은 공작물 내에 더 깊은 홈 또는 홈의 별개의 하위 형상체를 생성하는 별도의 절삭 기구를 각각 형성한다. 홈은 동일한 선형 위치에서 팁(30, 34)에 의해 공작물에 생성되는 홈과 하위 형상체의 임의의 조합을 나타낸다. 예를 들어, 다이아몬드 팁(30)은 홈을 생성할 수 있으며, 이에 후속하여 다이아몬드 팁(34)은 그 홈에 하위 형상체를 생성하거나 아니면 단순히 팁(30)의 홈을 더욱 깊게 한다. 다이아몬드 팁(34)의 증가된 높이로 인해, 공작물의 표면 내에 홈이나 하위 형상체가 추가로 생성될 수 있다. 하위 형상체를 구비한 홈은 본 명세서에서 다중 형상의 홈으로 불리며, 다중 깊이로 생성된 홈은 깊은 홈이다. 다른 실시예에서, 다이아몬드 팁(34)은 다이아몬드 팁(30)에 의해 생성된 홈과 중첩되는 하위 형상체를 생성할 수 있다. 어느 경우든, 다중 형상의 홈 또는 깊은 홈은 공작물 내에서 홈의 측부 프로파일(side profile)을 생성하는 하나의 연속하는 에지로 이루어져야 한다.
도 2에 도시한 실시예에서, 절삭 공구 조립체(26)는 다이아몬드 팁(30, 34)을 하나씩 각각 갖는 2개의 공구 섕크(28, 32)를 포함하지만, 본 발명의 원리에 따르면 다이아몬드 팁을 구비한 추가의 공구 섕크가 사용될 수 있다. 또한, 이하에 설명하는 원리는 다이아몬드당 하나 초과의 절삭 팁을 형성하는 다이아몬드와 함께 사용될 수 있도록 확장 적용될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 공구 섕크(28, 32)는 다이아몬드 팁(30)과 다이아몬드 팁(34)이 절삭 방향에 평행한 동일 평면에서 정렬되도록 장착 구조체(36) 내에 위치된다. 이러한 위치에서, 팁(30)과 팁(34)은 공작물을 통한 연속 패스에서 동일한 홈에 기여한다. 공작물은 구리, 니켈, 알루미늄, 아크릴과 같은 플라스틱, 또는 기계 가공 가능한 임의의 재료로 구성될 수 있다.
다이아몬드 팁(30, 34)의 수직 위치는 장착 구조체(36)의 표면에 대하여 서로 다를 수 있다. 장착 구조체(36)의 표면 위로의 다이아몬드 팁(30)의 높이는 H1으로 정의되며, 장착 구조체의 표면 위로의 다이아몬드 팁(34)의 높이는 H2로 정의된다. H1과 H2 사이의 차이는 다이아몬드 팁(34)이 다이아몬드 팁(30)에 의해 생성된 깊이(D1)를 초과하여 공작물 내로 절삭하는 증가된 깊이(D2)를 나타낸다. 깊이(D2)는 10 미크론 미만일 수 있다. 도 1의 실시예에서, H2는 H1보다 크다. 하지만, 다른 실시예들에서는 H1은 H2와 같을 수 있다. H1과 H2가 동일한 경우에, 팁(34)은 홈에 하위 형상체를 생성하기 위해 팁(30)과는 다른 형상을 가질 수 있다. 대안적으로, 다이아몬드 팁(34)은 다이아몬드 팁(30)의 경로를 단순히 뒤따라서 다이아몬드 팁(30)으로부터 남겨진 임의의 영역들을 청소할 수 있다.
도 3은 플라이 커팅용으로 구성된 절삭 공구 조립체(10)의 보다 상세한 평단면도이다. 장착 구조체(20)는 각각의 공구 섕크(12, 16)를 수용하는 영역(38, 40)을 포함한다. 영역(38, 40)은 공구 섕크가 적소에 고정되기 전에 다이아몬드 팁을 적절히 위치시키기 위해 섕크가 상기 영역 내에서 이동될 수 있는 것을 보장하도록 각각의 공구 섕크(12, 16)보다 다소 크다. 일부 실시예들에서는, 공구 섕크(12, 16)를 정확히 위치시키기 위해 하나 이상의 스페이서가 영역(38 또는 40) 내에 놓일 수 있다.
공구 섕크(12, 16)를 장착 구조체(20) 내에 위치시키기 위해서, 공구 가공 마이크로스코프가 사용될 수 있다. 이러한 마이크로스코프는 공구 섕크가 장착 구조체 내에 적절히 위치될 수 있도록 다이아몬드 팁들의 서로에 대한 위치를 식별하고 측정하는 데 사용될 수 있다. 다이아몬드 팁의 위치 설정을 정량화하기 위해 위치 설정 피드백(feedback)이 디지털 판독치, 아날로그 판독치, 또는 그래픽 디스플레이 등의 형태로 제공될 수 있다. 이러한 피드백은 서로 다른 공구 섕크들을 장착 구조체 내에 정밀하게 위치시키는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 미국 미네소타주 에디나 소재의 프라이어 컴퍼니(Fryer Company)로부터 구매 가능한 니콘 툴 메이커즈 마이크로스코프(Nikon Tool Maker's Microscope)는 공구 섕크들의 다이아몬드 절삭 팁들의 서로에 대한 간격을 미세 측정하는 제어 다이얼(controlling dial)을 포함한다. 더욱이, 위치 설정 피드백은 다이아몬드 팁(14, 18)이 미세복제 공구의 효율적인 생성에 필요한 정밀도 내에서 적절한 높이로 정렬되고 위치되는 것을 보장하기 위해서 미국 뉴햄프셔주 맨체스터 소재의 메트로닉스 인크.(Metronics Inc.)로부터 구매 가능한 콰드라 첵스 2000(Quadra Chex 2000) 디지털 판독 장치에 의해 제공되고 정량화될 수 있다. 니콘 툴 메이커즈 마이크로스코프와 콰드라 첵스 2000 디지털 판독 장치를 사용하여, 공구 섕크들에 결합된 다이아몬드 팁들이 0.5 미크론 정도의 허용 오차 내에서 서로에 대해 위치되도록 공구 섕크(12, 16)의 장착 구조체 내로의 정렬 정밀도를 측정할 수 있다.
특히, 광학 필름, 기계식 패스너, 연마 필름, 또는 접착 필름 등을 생성하는 데 사용될 수 있는 효율적인 미세복제 공구를 생성하기 위해서, 10 미크론 미만, 더 바람직하게는 1 미크론 미만의 허용 오차로 다이아몬드 팁들을 정렬시키는 것이 바람직하다. 이러한 미세 위치 설정은 다이아몬드 팁들이 하나의 홈을 생성하기 위해 서로 정확하게 정렬되도록 측방향 및 수직 방향 모두로 행해질 수 있으며, 홈의 정확한 깊이 생성을 위해 각각의 팁에 대한 원하는 절삭 높이를 보장하도록 서로에 대해 수직 방향으로 행해질 수 있다. 측방향 및 수직 방향 모두로의 위치 설정은 본 명세서에 기재된 허용 오차 내에서 행해질 수 있다. 일단 디지털 판독치를 사용하여 마이크로스코프 하에 적절하게 위치되면, 공구 섕크(12, 16)는 하나 이상의 볼트, 클램프 또는 세트 스크류를 통해 장착 구조체 내에 고정된다. 대안적으로, 경납땜, 연납땜, 에폭시와 같은 접착제, 또는 임의의 다른 고정 기구가 사용될 수 있다.
도 4는 플런지 커팅용 또는 스레드 커팅용으로 구성된 절삭 공구 조립체(26)의 더 상세한 측단면도이다. 장착 구조체(36)는 공구 섕크(28, 32)를 수용하는 영역(42)을 포함한다. 영역(42)은 공구 섕크가 적소에 고정되기 전에 다이아몬드 팁을 적절히 위치시키기 위해 섕크가 상기 영역 내에서 이동될 수 있다는 것을 보장하도록 공구 섕크(28, 32)보다 다소 크다. 또한, 공구 섕크(12, 16)를 정확히 위치시키기 위해 하나 이상의 스페이서(44)가 영역(42) 내에 위치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 장착 구조체(36)는 공구 섕크를 수용하는 하나 초과의 영역(42)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 각각의 공구 섕크가 각각의 영역에 배치될 수 있거나, 각각의 공구 섕크와 관련되는 홈 또는 하위 형상체의 절삭을 위해 많은 영역들이 복수의 공구 섕크들을 수용할 수 있다.
공구 섕크(28, 32)를 장착 구조체(36) 내에 위치시키기 위해서, 도 3의 마이크로스코프와 유사한 공구 가공 마이크로스코프가 사용될 수 있다. 예를 들어, 미국 미네소타주 에디나 소재의 프라이어 컴퍼니로부터 구매 가능한 니콘 툴 메이커즈 마이크로스코프는 공구 섕크들의 다이아몬드 절삭 팁들의 서로에 대한 간격을 미세 측정하는 제어 다이얼을 포함한다. 더욱이, 위치 설정 피드백은 다이아몬드 팁(30, 34)이 미세복제 공구의 효율적인 생성에 필요한 정밀도 내에서 적절한 높이로 정렬되고 위치되는 것을 보장하기 위해서 미국 뉴햄프셔주 맨체스터 소재의 메트로닉스 인크.로부터 구매 가능한 콰드라 첵스 2000 디지털 판독 장치에 의해 제공되고 정량화될 수 있다. 니콘 툴 메이커즈 마이크로스코프와 콰드라 첵스 2000 디지털 판독 장치를 사용하여, 공구 섕크들에 결합된 다이아몬드 팁들이 0.5 미크론 정도의 허용 오차 내에서 서로에 대해 위치되도록 공구 섕크(28, 32)의 장착 구조체 내로의 정렬 정밀도를 측정할 수 있다.
특히, 광학 필름, 기계식 패스너, 연마 필름, 또는 접착 필름 등을 생성하는 데 사용될 수 있는 효율적인 미세복제 공구를 생성하기 위해서, 10 미크론 미만, 더 바람직하게는 1 미크론 미만의 허용 오차로 다이아몬드 팁들을 정렬시키는 것이 바람직하다. 이러한 미세 위치 설정은 다이아몬드 팁들이 하나의 홈을 생성하기 위해 서로 정확하게 정렬되도록 측방향 및 수직 방향 모두로 행해질 수 있으며, 홈의 정확한 깊이 생성을 위해 각각의 팁에 대한 원하는 절삭 높이를 보장하도록 서로에 대해 수직 방향으로 행해질 수 있다. 측방향 및 수직 방향 모두로의 위치 설정은 본 명세서에 기재된 허용 오차 내에서 행해질 수 있다. 일단 디지털 판독치를 사용하여 마이크로스코프 하에 적절하게 위치되면, 공구 섕크(28, 32)는 하나 이상의 볼트, 클램프 또는 세트 스크류를 통해 장착 구조체 내에 고정된다. 대안적으로, 경납땜, 연납땜, 에폭시와 같은 접착제, 또는 임의의 다른 고정 기구가 사용될 수 있다.
도 5는 미세복제 공구(46)의 생성 중에 홈을 절삭하는 플라이 커팅용 다중 다이아몬드 절삭 공구 조립체(10)의 개념적인 사시도이다. 도 5의 예에서, 각각의 미세복제 공구(72)는 주조 롤을 포함하지만, 주조 벨트, 사출 금형, 압출 또는 엠보싱 공구와 같은 다른 미세복제 공구들이나 다른 공작물들도 또한 절삭 공구 조립체(10)를 사용하여 생성될 수 있다. 절삭 공구 조립체(10)는 구동 샤프트(22)에 고정될 수 있으며, 이는 절삭 공구 조립체(10)를 축(24)을 중심으로 회전시키기 위해 모터(미도시)에 부착된다. 절삭 공구 조립체(10)는 또한 미세복제 공구(46)에 대해 (수평 화살표로 도시한 바와 같이) 측방향으로 이동될 수 있다. 이와 동시에, 미세복제 공구(46)는 축(24)을 중심으로 회전될 수 있다. 절삭 공구 조립체(10)가 회전됨에 따라서, 다이아몬드 팁(14, 18)은 교번 방식으로 미세복제 공구(46)를 절삭한다. 따라서, 미세복제 공구(46)를 따라 절삭 공구 조립체(10)의 단일 절삭 패스(pass)로 홈이 형성된다. 다른 실시예들에서, 미세복제 공구(46)는 평면형 또는 다른 비원통형 공작물일 수 있다. 또한, 미세복제 공구(46)는 단지 공구(46)만을 이동시킴으로써, 또는 공구(46)와 절삭 공구 조립체(10) 둘 모두를 이동시킴으로써 생성될 수 있다.
절삭 공구 조립체가 다수의 공구 섕크(12, 16)들을 구비하여 다수의 다이아몬드 절삭 팁(14, 18)들을 구비하기 때문에, 미세복제 공구(46) 상에 홈을 절삭하는 데 필요한 절삭 공구 조립체(10)의 패스가 더 적어지게 된다. 홈은 깊은 홈이나 다중 형상의 홈일 수 있다. 절삭 공구 조립체(10)의 일부 실시예들은 2개 초과의 공구 섕크와 2개의 다이아몬드 팁을 포함할 수 있다. 다수의 다이아몬드 팁들은 제조 비용을 절감시킬 수 있으며, 미세복제 공구의 생성에 관련된 제조 사이클을 촉진시킬 수 있다. 경우에 따라서는, 공작물의 생성시 몇 일은 아니지만 몇 시간이 소요될 수 있다. 홈의 절삭을 위해 2개 이상의 다이아몬드 절삭 팁을 절삭 공구 조립체(10) 내에 사용하면, 제조 사이클을 그 제조 사이클에 소요되는 시간의 분율(fraction)로 단축시킬 수 있다. 또한, 공작물을 생성하기 위해 다수의 팁들을 사용하면, 각 팁에 대한 열 안정성 요건을 완화시킬 수 있다. 팁이 공작물을 통과함에 따라, 팁은 가열되고 형상이 변화된다. 이러한 현상이 발생하면, 각 팁의 후속 절삭부는 이전 절삭부와 다른 크기를 갖게 될 것이다. 다수의 팁들을 이용하면, 각 팁은 온도가 증가하지 않고, 형상이 변화되지 않고, 그리고 서로 다른 크기의 홈을 절삭하지 않을 수 있다. 대안적으로, 다수의 팁들은 팁 크기가 형상을 변화시킬 시간을 갖지 못하도록 충분히 신속하게 절삭이 발생하도록 할 수 있다.
예를 들어, (도 5에 도시된 바와 같이) 다이아몬드 절삭 팁을 각각 형성하는 2개의 공구 섕크를 절삭 공구 조립체가 구비하면, 미세복제 공구(46)에 홈을 절삭하는 데에 필요한 패스의 수가 단일 공구 섕크를 구비하는 조립체에 비해 절반만큼 줄어들 수 있다. 이와 유사한 방식으로 추가적인 공구 섕크들이 추가 이점들을 부가할 수 있다. 또한, 다수의 팁들이 다이아몬드 중의 하나 또는 모두에 형성될 수 있으며, 이는 유사한 제조상 이점들을 부가할 수 있다. 미세복제 공구(46)의 생성에 관련된 비용을 절감시키면, 미세복제 구조체의 궁극적인 생성에 관련된 비용을 효과적으로 절감시킬 수 있다.
도 6은 미세복제 공구의 생성 중에 다중 형상의 홈을 절삭하는 플런지 커팅용 또는 스레드 커팅용 다중 다이아몬드 절삭 공구 조립체(26)의 개념적인 사시도이다. 설명을 위해서, 다이아몬드 팁(30)은 미세복제 공구(48)와 접촉하지 않은 상태로 도시한다. 작동시, 다이아몬드 팁(30)과 다이아몬드 팁(34)은 설명한 바와 같이 미세복제 공구(48)와 접촉한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 절삭 공구 조립체(26)는 다이아몬드 공구 가공 기계(50) 내에 고정될 수 있는데, 이 다이아몬드 공구 가공 기계는 미세복제 공구(48)에 대해 절삭 공구 조립체(26)를 위치시키고 절삭 공구 조립체(26)를 미세복제 공구(48)에 대해 예컨대 (수평 화살표로 도시한 바와 같이) 측방향으로 이동시킨다. 이와 동시에, 미세복제 공구(48)는 축을 중심으로 회전될 수 있다. 다이아몬드 공구 가공 기계(50)는 미세복제 공구(48) 내에 홈을 절삭하기 위해 플런지 커팅 또는 스레드 커팅 기법을 통해 절삭 공구 조립체(26)를 회전 미세복제 공구(48)로 이동시키도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 다이아몬드 공구 가공 기계(50)는 스크라이빙 또는 룰링용으로 구성될 수 있으며, 여기서 절삭 공구 조립체(26)는 아주 느리게 공작물을 통해 변위된다. 어느 경우든, 깊은 홈 또는 다중 형상의 홈이 절삭되며, 돌출부가 공작물 상에 형성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 미세복제 공구(48)는 평면형 또는 다른 비원통형 공작물일 수 있다. 또한, 미세복제 공구(48)는 단지 공구(48)만을 이동시킴으로써, 또는 공구(48)와 절삭 공구 조립체(26) 둘 모두를 이동시킴으로써 생성될 수 있다.
홈과 돌출부는 예컨대 압출 공정 중에 미세복제 공구(48)를 사용하여 생성된 미세복제 구조체의 궁극적인 형태를 형성할 수 있다. 대안적으로, 이렇게 형성된 홈과 돌출부는 미세복제 공구와는 다른 공작물의 재료의 변위(displacement)에 의해서 다른 형상체를 형성할 수 있다. 또한, 절삭 공구 조립체(26)와 이 절삭 공구 조립체를 수용하는 공구 가공 기계(50) 사이에 공구 급속 서보(fast tool servo)를 사용할 수 있다. 예를 들어, 공구 급속 서보는 특정 미세구조체를 미세복제 공구(48)에 생성하기 위해 절삭 공구 조립체(26)를 진동시킬 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 절삭 공구 조립체가 다수의 공구 섕크(28, 32)들을 구비하여 다수의 다이아몬드 절삭 팁(30, 34)들을 구비하기 때문에, 미세복제 공구(48)에 깊은 홈 또는 다중 형상의 홈을 절삭시키는 데 필요한 절삭 공구 조립체(26)의 패스가 더 적어지게 된다. 절삭 공구 조립체(26)의 일부 실시예들은 2개 초과의 공구 섕크와 2개의 다이아몬드 팁을 포함할 수 있다. 다수의 다이아몬드 팁들은 제조 비용을 절감시킬 수 있으며, 미세복제 공구의 생성에 관련된 제조 사이클을 촉진시킬 수 있다. 경우에 따라서는, 공작물의 생성시 몇 일은 아니지만 몇 시간이 소요될 수 있다. 홈의 절삭을 위해 2개 이상의 다이아몬드 절삭 팁을 절삭 공구 조립체(26) 내에 사용하면, 제조 사이클을 그 제조 사이클에 소요되는 시간의 분율(fraction)로 단축시킬 수 있다. 또한, 공작물을 생성하기 위해 다수의 팁들을 사용하면, 각 팁에 대한 열 안정성 요건을 완화시킬 수 있다. 팁이 공작물을 통과함에 따라, 팁은 가열되고 형상이 변화된다. 이러한 현상이 발생하면, 각 팁의 후속 절삭부는 이전 절삭부와 다른 크기를 갖게 될 것이다. 다수의 팁들을 이용하면, 각 팁은 온도가 증가하지 않고, 형상이 변화되지 않고, 그리고 서로 다른 크기의 홈을 절삭하지 않을 수 있다. 대안적으로, 다수의 팁들은 팁 크기가 형상을 변화시킬 시간을 갖지 못하도록 충분히 신속하게 절삭이 발생하도록 할 수 있다.
예를 들어, (도 6에 도시된 바와 같이) 다이아몬드 절삭 팁을 각각 형성하는 2개의 공구 섕크를 절삭 공구 조립체가 구비하면, 미세복제 공구(48)에 홈을 절삭하는 데에 필요한 패스의 수가 단일 공구 섕크를 구비하는 조립체에 비해 절반만큼 줄어들 수 있다. 이와 유사한 방식으로 추가적인 공구 섕크들이 추가 이점들을 부가할 수 있다. 또한, 다수의 팁들이 다이아몬드 중 하나 또는 모두에 형성될 수 있으며, 이는 유사한 제조상 이점들을 부가할 수 있다(도 8A 및 도 8B 참조). 미세복제 공구(48)의 생성에 관련된 비용을 절감시키면, 미세복제 구조체의 궁극적인 생성에 관련된 비용을 효과적으로 절감시킬 수 있다.
도 7은 플런지 커팅용 또는 스레드 커팅용 다중 다이아몬드 절삭 공구 조립체의 다른 측면도이다. 공구 섕크(28, 32) 및 다이아몬드 팁(30, 34)에 대해 기술한 치수들은 공구 섕크(12, 16) 및 다이아몬드 팁(14, 18)에 관한 조립체(10)의 기재 내용 내의 절삭 공구 조립체(10)에 적용될 수 있다. 도 7의 예에서, 공구 섕크(28, 32)의 다이아몬드 팁(30, 34)은 또한 여러 가지 크기들을 가질 수 있다. 팁의 크기는 도 7에 도시된 바와 같이 절삭 높이(H), 절삭 폭(W) 및 높이차(D)를 포함하는 하나 이상의 변수에 의해 정의될 수 있다. 절삭 높이(H)는 다이아몬드가 공작물 내로 절삭할 수 있는 최대 깊이를 정의하며, 절삭 깊이로도 불릴 수 있다. 절삭 폭(W)은 평균 절삭 폭, 또는 도 7에 표시된 바와 같이 팁의 최대 절삭 폭으로서 정의될 수 있다. 변수(D)는 다이아몬드 팁(34)에 의해 절삭되는 후속 형상체의 깊이를 말한다. 절삭 팁의 크기를 정의하는 데 사용될 수 있는 또 다른 양은 종횡비(aspect ratio)로 불린다. 이러한 종횡비는 높이(H) 대 폭(W)의 비이다. 집속 이온빔 밀링(focused ion beam milling) 공정에 의해 생성된 다이아몬드 팁은 여러 가지 높이, 폭, 피치 및 종횡비를 가질 수 있다.
예를 들어, 높이(H) 및/또는 폭(W)은 대략 1000 미크론 미만, 대략 500 미크론 미만, 대략 200 미크론 미만, 대략 100 미크론 미만, 대략 50 미크론 미만, 대략 10 미크론 미만, 대략 1.0 미크론 미만, 또는 대략 0.1 미크론 미만으로 형성될 수 있다. 추가적으로, 변수(D)는 대략 1000 미크론 미만, 대략 500 미크론 미만, 대략 200 미크론 미만, 대략 100 미크론 미만, 대략 50 미크론 미만, 대략 10 미크론 미만, 대략 5 미크론 미만, 대략 1.0 미크론 미만으로 정의될 수 있으며, 0.5 미크론의 허용 오차로 근접할 수 있다. 경우에 따라서는, 간격(D)은 다이아몬드 팁의 높이(H)보다 작을 수 있다.
종횡비는 대략 1:5 초과, 대략 1:2 초과, 대략 1:1 초과, 대략 2:1 초과, 또는 대략 5:1 초과로 정의될 수 있다. 이보다 더 크거나 작은 종횡비도 또한 집속 이온빔 밀링에 의해 달성될 수 있다. 이러한 서로 다른 형상들 및 크기들은 여러 적용 분야에서 효과적일 수 있다.
집속 이온빔 밀링은 다이아몬드의 원자들을 연마 제거(mill away)(때로 어블레이션(ablation)으로 불림)하기 위해 갈륨 이온과 같은 이온을 다이아몬드 쪽으로 가속시키는 공정을 말한다. 갈륨 이온의 가속은 다이아몬드로부터 원자들을 원자별로(atom by atom basis) 제거시킬 수 있다. 수증기를 사용한 증기 강화 기법(Vapor enhancing technique)이 집속 이온빔 밀링 공정을 향상시키기 위해 또한 사용될 수 있다. 한가지 적합한 집속 이온빔 밀링 기계는 미국 오리건주 포틀랜드 소재의 에프이아이 인크.(FEI Inc.)로부터 구매 가능한 미크리온(Micrion) 모델 9500이다. 일반적으로, 집속 이온빔 밀링은 생성될 깊이 또는 형상에 해당하는 정밀한 팁의 다이아몬드를 생성하도록 수행될 수 있다. 하나 이상의 이온빔 밀링 가공된 다이아몬드를 생성하는 데 사용할 수 있는 하나의 예시적인 집속 이온 밀링 가공 서비스 제공업체는 미국 노스캐롤라이나주 롤리 소재의 머티어리얼즈 어낼리티컬 서비시즈(Materials Analytical Services)이다.
집속 이온빔 밀링은 일반적으로 아주 고가이다. 따라서, 다중 팁 다이아몬드의 생성에 관련된 비용을 절감시키기 위해서, 다이아몬드 팁에 집속 이온빔 밀링 공정을 행하기 전에 이온빔 밀링 가동될 다이아몬드 팁을 처음으로 처리하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 래핑(lapping) 또는 연삭(grinding)과 같은 저가의 기법이 다이아몬드 팁의 상당한 부분들을 제거하는 데 이용될 수 있다. 집속 이온빔 밀링 공정은 전술한 하나 이상의 치수 또는 형상을 달성할 수 있다는 것을 보장할 수 있다. 여전히, 집속 이온빔 밀링 전에 처음으로 다이아몬드 팁을 처리함으로써, 최종 이온 빔 밀링 가공된 다이아몬드 팁을 생성하는 데에 필요한 집속 이온빔 밀링 가공 시간량을 단축할 수 있다. 래핑은 유리 연마재(loose abrasive)를 사용하여 다이아몬드로부터 재료를 제거하는 공정을 말하며, 반면에 연삭은 매체(medium) 또는 기판에 고정된 연마재를 사용하여 다이아몬드로부터 재료를 제거하는 공정을 말한다.
도 8A 및 도 8B는 다수의 팁들을 구비한 단일 다이아몬드 절삭 공구 조립체의 대안적인 실시예를 도시한 도면이다. 도 8A의 예에서, 절삭 공구 조립체(52)는 실질적으로 절삭 공구 조립체(26)와 유사하다. 하지만, 절삭 공구 조립체는, 2개의 공구 섕크와 2개의 단일 팁 다이아몬드 대신 다중 팁 다이아몬드(56)와 공구 섕크(54)를 이용한다. 공구 섕크(54)는 본 명세서에 기술한 기법을 이용하여 장착 구조체(60)에 장착된다. 절삭 공구 조립체(52)는 화살표 방향으로 이동함으로써 다중 형상의 홈을 공작물 내에 생성한다.
다중 팁 다이아몬드(56)는 2가지 형상체를 생성하기 위해 평평한 제1 팁과 더 높은 제2 팁을 포함한다. 제1 팁과 제2 팁 사이에는 간극이 없다. 다이아몬드(56)는 2개의 별도의 다이아몬드 팁에 관하여 본 명세서에 기재된 바와 같이 여러 가지 형상들 및 크기들로 형성될 수 있다.
대안적인 다중 팁 다이아몬드가 도 8B에 도시되어 있다. 절삭 공구 조립체(62)는 장착 구조체(70), 공구 섕크(64), 및 다중 팁 다이아몬드(66)를 포함한다. 다이아몬드(66)는 낮은 제1 팁과 높은 제2 팁을 포함하는데, 중간에 간극이 형성되어 있다. 중간 간극은 다이아몬드의 열을 낮추거나 또는 낮은 제1 팁으로부터 재료를 제거하는 데에 이로울 수 있다. 다른 형상의 다이아몬드(66)도 본 발명의 범위 내에 속한다.
(도 8A의) 다중 팁 다이아몬드(56) 또는 (도 8B의) 다중 팁 다이아몬드(66)와 같은 다중 팁 다이아몬드는 깊은 홈 또는 다중 형상의 홈의 생성에 유리할 수 있다. 더 적은 공구 생크가 다수의 다이아몬드 팁들을 유지시키는 데에 필요하며, 이는 미세복제 공구의 생성시 시간, 비용 및 위치 설정 오차를 제거할 수 있다. 또한, 이러한 팁은 조립 셋업 중에 사람에 의한 오차에 영향을 받지 않는 아주 작은 허용 오차로 정렬될 수 있다. 일정 미세복제 구조체에 필요한 정밀한 다중 형상의 홈에서, 별도의 정렬된 다이아몬드 팁들보다 다중 팁 다이아몬드가 바람직할 수 있다.
다중 팁 다이아몬드(56, 66)의 제조는 본 명세서에 기술된 기법들을 통해 달성될 수 있다. 이러한 기법은 집속 이온빔 밀링, 래핑 또는 연삭을 포함하나, 이로 한정되지는 않는다. 다른 실시예들에서, 2개 초과의 팁, 다소 편의된 팁 및 불규칙한 형상의 팁을 구비한 다중 팁 다이아몬드가 다수의 별도의 다이아몬드들에 관하여 본 명세서에 기술된 바와 같이 홈을 생성하는 데 사용될 수 있다.
도 9A 및 도 9B는 공작물 내로 홈을 절삭하는 2개의 서로 다른 다중 다이아몬드 절삭 공구 조립체들과 이러한 절삭에 의해 공작물 내에 형성될 수 있는 홈을 도시한 다양한 측단면도이다. 도 9A는 미세복제 공구(72) 내로 깊은 홈(71)을 절삭하기 위해 다이아몬드 팁(30, 34)을 사용하는 절삭 공구 조립체(26)를 도시하고 있다. 다이아몬드 팁(30, 34)이 화살표 방향으로 미세복제 공구(72)를 통해 이동됨에 따라, 홈(71)이 최종 깊이(D)로 형성된다. 깊이(D)는 미세복제 공구(72)로부터 제거된 재료의 누적된 깊이이다. 홈(71)은 또한 다중 형상의 홈일 수 있다.
플라이 커팅 공정에 사용되는 절삭 공구 조립체(10)의 경우, 유사한 홈이 생성될 수 있다. 조립체(10)가 공작물에 대해 회전됨에 따라, 다이아몬드 팁(14)은 다이아몬드 팁(30)의 기능과 유사한 기능을 행하며, 다이아몬드 팁(18)은 다이아몬드 팁(34)의 기능과 유사한 기능을 행한다. 도 9B의 홈과 같이 더 많은 형상의 홈을 생성하는 데에 더 많은 팁들이 이용될 수 있다.
도 9B는 미세복제 공구(92) 내에 깊은 홈(91)을 생성하는 공정을 도시하고 있다. 절삭 공구 조립체(73)는 정렬된 다이아몬드 팁(76, 80, 84, 88)을 각각 구비한 공구 섕크(74, 78, 82, 86)를 포함한다. 각각의 공구 섕크(74, 78, 82, 86)는 조립체(10 또는 26)와 유사하게 장착 구조체(90)에 장착된다. 조립체(73)는 절삭을 행하면서 화살표 방향으로 이동된다. 절삭 공구 조립체(73)는 최종 깊이(D)의 4개의 형상체를 구비한 홈(91)을 생성한다. 더 많거나 적은 정렬된 다이아몬드 팁들이 미세복제 공구(92) 내에 더 많거나 적은 형상체들을 생성하는 데 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 서로 다른 형상의 다이아몬드 팁들이 사용될 수 있거나, 하나 이상의 다중 팁 다이아몬드가 조립체(73)에 사용될 수 있다. 홈(91)은 다중 형상의 홈일 수 있다.
도 10은 공작물 내로 홈을 절삭하는 다중 다이아몬드 절삭 공구 조립체와 공작물에 형성된 홈과 돌출부를 도시한 평단면도이다. 도 10은 플라이 커팅, 플런지 커팅 또는 스레드 커팅을 포함하는 임의의 기법에 의해 생성되는 다중 형상의 홈을 나타낼 수 있다. 도 10은 미세복제 공구(96)에 대한 절삭 공구 조립체(94)의 절삭 방향에서 일직선으로 본 하나의 예시적인 도면을 도시하고 있다.
절삭 공구 조립체(94)가 미세복제 공구(96)를 통과함에 따라, 조립체의 한번의 패스로 깊은 홈(98)이 형성된다. 홈(98)은 홈(98) 내의 각각의 깊이에 대한 표시를 도시하고 있지 않지만, 점선은 제1 다이아몬드 팁이 미세복제 공구(96)를 절삭한 후의 홈의 형상을 표시하고 있다.
일부 실시예들에서, 조립체(94)의 팁들은 동일하게 형상화되지 않는다. 예를 들어, 제2 팁은 단지 홈(98)의 일 측면만 변화시키는 하위 형상체를 절삭할 수 있다. 이러한 경우, 홈(98)의 일 측면은 여전히 제1 팁으로부터 형성될 것이지만, 홈(98)의 다른 측면은 제2 팁에 관련되는 하위 형상체와 일치하도록 변화될 것이다. 점선의 적어도 일부는 홈(98) 에지의 일부를 형성할 것이다. 도 11에서와 같이 더 많은 형상체들이 또한 생성될 수 있다.
도 11은 다중 다이아몬드 절삭 공구 조립체에 의해 공작물 내에 형성되는 홈(102, 104)과 돌출부를 도시한 평단면도이다. 다중 형상의 홈(102, 104) 모두는 미세복제 공구(100) 내에 절삭되어 있다. 홈(102)은 점선으로 도시한 팁에 대응하는 각각의 깊이를 도시하고 있다. 점선은 4개의 다이아몬드 팁이 관련 절삭 공구 조립체의 한번의 패스로 홈(102)을 생성한 것을 나타내고 있다. 홈(104)도 또한 홈(102)과 유사하게 생성되었으며, 홈의 각각의 형상을 나타내기 위해 점선없이 최종의 홈을 도시하고 있다. 더 많거나 적은 다이아몬드 팁들이 서로 다른 깊이 및 형상의 홈들을 생성시킬 수 있으며, 이는 홈을 생성하기 위해 사용되는 다이아몬드 팁들에 좌우된다.
도 12는 공구 섕크 내에 고정되고 이어서 절삭 공구 조립체에 사용될 수 있는 다이아몬드(106)의 사시도이다. 다이아몬드(106)는 전술한 바와 같이 임의의 다이아몬드 팁(14, 18, 30 또는 34)에 대응될 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 다이아몬드(106)는 적어도 3개의 표면(S1 내지 S3)에 의해 형성되는 절삭 팁(108)을 형성할 수 있다. 표면(S1, S2, S3)은 연삭 또는 래핑 기법에 의해 생성될 수 있으며, 집속 이온빔 밀링 기법에 의해 완성될 수 있다.
도 13 내지 도 20은 본 발명의 여러 가지 실시예들에 따른 다중 다이아몬드 절삭 공구 조립체들을 도시한 추가적인 평면도들이다. 도 13, 도 15, 도 17 및 도 19는 플런지 커팅, 스레드 커팅, 스크라이빙 또는 룰링용으로 구성된 조립체들을 도시하는 반면, 도 14, 도 16, 도 18 및 도 20은 플라이 커팅용으로 구성된 조립체들을 도시하고 있다. 도 13 내지 도 20의 예들에서 이해할 수 있는 바와 같이, 각각의 공구 섕크의 다이아몬드의 팁은 임의의 아주 다양한 형상들 및 크기들로 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 공구 섕크(110, 114, 120, 124)의 다이아몬드 팁(112, 116, 122, 126)은 실질적으로 직사각형 형상을 형성할 수 있다. 팁(112, 122)은 깊이(D1)의 홈을 절삭하며, 이어서 팁(116, 126)은 각각 상기 홈을 깊이(D2)로 더욱 깊게 한다. 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 공구 섕크(150, 154, 160, 164)의 다이아몬드 팁(152, 156, 162, 166)은 복합 또는 다중 형상의 홈을 생성하기 위해 서로 다른 팁 형상들을 형성한다. 팁(152, 162)은 깊이(D1)의 정사각형 홈을 생성하며, 이어서 팁(156, 166)은 그 홈에 깊이(D2)의 역원추형 하위 형상체를 생성한다. 전술한 바와 같이, 하위 형상체의 깊이(D2)는 깊이(D1) 이하일 수 있다. 다른 형상들도 또한 다중 형상의 홈을 생성할 수 있다. 예를 들어, 팁(156, 166)은 본래의 정사각형 홈의 일 측면에 하위 형상체를 생성하기 위해 일 측면에서 둔각을 가질 수 있다.
도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, (도 17의) 공구 섕크(170, 174) 및 (도 18의) 공구 섕크(180, 184)의 서로 다른 다이아몬드 팁(172, 176, 182, 186)은 서로 다른 형상들 및 크기들을 형성할 수 있다. 다시 말하면, 제1 공구 섕크(170, 180)에 의해 각각 형성된 제1 다이아몬드 팁(172, 182)의 형상은 제2 공구 섕크(174, 184)에 의해 각각 형성된 제2 다이아몬드 팁(176, 186)의 형상과 실질적으로 다를 수 있다. 이러한 구성은 광학 필름의 생성에 특히 유용할 수 있다. 이러한 경우, 미세복제 공구에 생성된 다중 형상의 최종적인 홈은 광학 필름에 생성될 복합 형상의 광학 특성체를 형성할 수 있다. 여러 가지 형상들을 갖는 추가적인 다이아몬드들은 이와 유사한 이점들을 부가할 수 있다. 예를 들어, 제1 다이아몬드 팁은 미세복제 공구 내에 원하는 홈을 최종 형성하는 하위 형상체를 생성하기 위해 제2 다이아몬드 팁이 들어갈 수 있게 하는 홈을 절삭할 수 있다. 팁(172, 182)은 경사진 측벽을 포함하는 홈을 절삭하며, 팁(176, 186)은 경사진 측벽 내로 계단형 하위 형상체를 절삭한다.
도 19 및 도 20은 다중 다이아몬드 플라이 커팅 로터의 개념적인 사시도이다. 도 19의 예에서, 플라이 커팅 시스템(190)은 미세복제 공구를 생성하는 기계 장치를 포함한다. 기부(206)는 병진 이동 스테이지(198), 모터(192) 및 플라이 커팅 로터(200)를 지지한다. 공구 섕크(202)는 미세복제 공구를 절삭하기 위한 다이아몬드 팁을 포함한다. 마이크로스코프(194)는 공구 섕크(202)를 정확하게 장착하고 그 공구 섕크를 로터(200)에 추가될 다른 공구 섕크들과 정확하게 정렬시키기 위한 대물 렌즈(objective)(196)를 포함한다. 로터(200)는 로터의 중심을 통과하는 축(204)을 중심으로 회전된다.
로터(200)의 중심과 축(204)은 로터(200)에 부착된 위치 결정 구체(locating sphere)(미도시)에 의해 기부(206)에 대해 유지된다. 이러한 위치 결정 구체는 로터(200)에 장착된 공구 섕크에 의한 절삭을 용이하게 하기 위해서 사용자가 기부(204) 상에서 축(204)의 위치를 한정할 수 있게 한다. 마이크로스코프의 조절없이 공구 섕크를 마이크로스코프의 시계(view) 내로 천천히 이동시키기 위해 로터(200)에 대한 미세한 회전 조절이 제공된다. 각각의 공구 섕크를 로터(200)에 대한 정확한 각도 정렬 상태로 회전시키는 데 측각기(goniometer) 스테이지가 사용된다. 또한, 각각의 공구 섕크를 로터(200)에 정확하게 배치시키기 위해 각각의 공구 섕크를 2가지 자유도를 가지고서 하나의 X-Y 평면에서 이동시키도록 정밀 만곡(flexure) 스테이지가 구현될 수 있다. 이러한 공정에 의하면, 병진 이동 스테이지(198)의 운동없이 각각의 공구 섕크(202)가 로터(200)에 위치될 수 있게 된다.
위치 설정이 완료되면, 마이크로스코프(194)는 로터(200)의 회전 경로 밖으로 이동될 수 있다. 일부 실시예들에서, 공구 섕크(202)는 로터(200)에 직교하게 또는 축(204)에 평행하게 장착될 수 있다. 각각의 공구 생크는 접착제, 세트 스크류 또는 다른 고정 방법에 의해 로터(200)에 부착될 수 있다. 각각의 공구 섕크를 적소에 유지시키기 위해 안전핀(도 20에 도시)이 또한 사용된다.
원하는 개수의 공구 섕크가 로터(200)에 장착되면, 추가의 개략 조절(coarse adjust) 및 미세 조절용 평형추들이 로터에 부가되어 고속 회전시 로터의 평형을 맞출 수 있다. 6개 미만의 공구 섕크가 필요한 경우에는, 공구 섕크(202) 대신에 더미 웨이트(dummy weight)가 포함될 수 있다. 이러한 더미 웨이트도 마찬가지로 미세 평형 조절 기능을 제공할 수 있다. 이어서, 로터는 미세복제 공구를 생성하기 위해 적절히 위치될 수 있다. 공구 섕크(202)는 본 명세서에 기술된 임의의 다이아몬드 팁 또는 다중 다이아몬드 팁을 포함할 수 있다.
도 20에 도시된 바와 같이, 로터(200)는 6개의 공구 섕크 카트리지(206)를 포함한다. 로터(200)는 개념적으로 절삭 공구 조립체(10)와 유사하다. 각각의 공구 섕크 카트리지는 공구 섕크(208), 다이아몬드 팁(210), 후방 지지체(212), 전방 지지체(214) 및 안전핀(216)을 포함한다. 스크류(218)는 로터(200)를 모터(192)(도 19)에 장착시킨다.
후방 지지체(212)와 전방 지지체(214)는 스크류에 의해 적소에 유지되지만, 임의의 유형의 고정 장치도 적합할 수 있다. 안전핀(216)은 공구 섕크(208)의 홈 내에 위치하여 회전 중에 공구 섕크(208)를 로터(200)에 고정된 상태로 유지시킨다. 후방 지지체(212)는 공구 섕크(208)의 보다 넓은 영역과 접촉하여 절삭 중에 공구 섕크(208)의 굽힘에 대해 지탱하도록 도시되어 있다. 다이아몬드 팁(210)은 로터(200)의 다른 모든 다이아몬드 팁들과 유사하게 보이지만, 각각의 다이아몬드의 형상들은 서로 다를 수 있다. 또한, 로터(200) 중심으로부터의 다이아몬드 팁의 높이는 서로 달라서 서로 다른 형상들의 홈을 미세복제 공구에 절삭할 수 있다.
다른 실시예들에서, 로터(200)는 단지 하나의 다중 팁 다이아몬드만을 포함할 수 있거나, 또는 도 20에 도시된 바와 같이 6개 초과의 정렬된 다이아몬드 팁들을 포함할 수 있다. 로터(200)는 미세복제 공구를 생성하는 데에 필요한 것보다 많거나 적은 공구 섕크 카트리지들을 보유할 수 있다. 대안적으로, 로터(200)는 각각의 지점을 공구 섕크로 채우지 않고도 사용될 수 있다. 이러한 경우, 빈 카트리지는 로터(200)를 평형시키는 데 사용될 수 있다. 임의의 조합의 짝수개 또는 홀수개 공구 섕크 카트리지들이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 일부 공구 섕크들은 하나의 다이아몬드 팁을 포함할 수 있지만, 동일한 로터 상의 다른 공구 섕크들은 다중 팁 다이아몬드를 포함할 수 있다. 로터의 평형된 회전을 제공하기 위해 평형추 스크류(counterweight screw)를 로터(200)에 부가하거나 또는 로터로부터 제거할 수 있다.
로터(200)는 다양한 재료들로 구성될 수 있다. 이러한 재료는 높은 강성 및 높은 피로 저항을 가질 수 있어야 한다. 이러한 재료는 알루미늄, 강, 스테인레스강, 티타늄, 또는 전술한 바와 같이 로터(200)가 그 기능을 수행할 수 있게 하는 임의의 금속 합금을 포함할 수 있지만, 이로 한정되는 것은 아니다. 대안적인 실시예들에서, 고밀도 플라스틱 또는 복합재도 또한 로터(200)의 구성에 사용될 수 있다. 공구 섕크(208), 후방 지지체(212) 및 전방 지지체(214)와 같이 로터(200)와 함께 사용되는 구성요소들도 또한 로터(200)와 유사한 재료로 구성될 수 있다.
도 21은 플라이 커팅 공구(220)의 하나의 대안적인 실시예의 평면도이다. 도 1의 절삭 공구 조립체(10)와 마차가지로, 도 21의 절삭 공구 조립체(220)도 적어도 2개의 다이아몬드 팁, 예컨대 각각의 공구 섕크(222, 226)의 다이아몬드 팁(224, 228)을 포함한다. 공구 섕크(222, 226)는 샤프트(232)에 평행하게 또는 장착 표면(230)에 직교하게 장착된다. 또한, 다이아몬드 팁(224, 228)은 각각의 다이아몬드 팁이 샤프트(232)의 회전에 따라 동일한 반경 방향 경로를 따르도록 반경 방향으로 정렬된다. 최종적인 깊은 홈 또는 다중 형상의 홈은 미세복제 공구에서 원일 수 있다.
다이아몬드 팁(224, 228)은 서로 다른 높이에 장착되어 깊은 홈을 생성하거나 또는 서로 다른 형상들을 가져 다중 형상의 홈을 생성할 수 있다. 최종적인 원형 홈은 임의의 공작물 내에 생성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 공구 섕크(222, 226)는 깊은 홈 또는 다중 형상의 홈을 생성하기 위해 다이아몬드에 2개 이상의 팁을 형성할 수 있다. 플라이 커팅 공구(220)는 본 명세서에 기재한 임의의 다른 형상을 포함할 수 있다.
다수의 실시예들을 설명하였다. 예를 들어, 다이아몬드 공구 가공 기계에서의 사용을 위해, 정렬된 다중 다이아몬드 절삭 공구 조립체를 설명하였다. 그럼에도 불구하고, 하기의 청구의 범위의 범주로부터 벗어나지 않고도 전술한 본 발명의 실시예들에 여러 가지 변형을 가할 수 있다. 예를 들어, 다른 유형의 공작물, 예컨대 미세복제 공구와는 다른 공작물에 홈 또는 다른 형상체를 절삭하기 위해 절삭 공구 조립체가 사용될 수 있다. 그러므로, 다른 구현예들과 실시예들도 하기의 청구의 범위의 범주 내에 속한다.

Claims (22)

  1. 장착 구조체와;
    장착 구조체 내에 장착되고 1 ㎜ 미만의 폭을 한정하는 제1 다이아몬드 팁을 형성하는 제1 공구 섕크와;
    장착 구조체 내에 장착되고 1 ㎜ 미만의 폭을 한정하는 제2 다이아몬드 팁을 형성하는 제2 공구 섕크를 포함하며,
    제1 및 제2 공구 섕크는 제1 및 제2 다이아몬드 팁이 10 미크론 미만의 허용 오차 내에서 절삭 공구 조립체의 절삭 방향으로 정렬되도록 장착 구조체 내에 위치되는 절삭 공구 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 제1 다이아몬드 팁은 공작물 내에 깊이(D1)의 홈을 생성하며, 제2 다이아몬드는 깊이(D2)의 더 깊은 홈을 생성하는 절삭 공구 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 제1 다이아몬드 팁은 공작물 내에 깊이(D1)의 홈을 생성하며, 제2 다이아몬드는 상기 홈 내에 깊이(D2)의 하위 형상체를 생성하는 절삭 공구 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 깊이(D2)는 깊이(D1) 이하인 절삭 공구 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 제1 다이아몬드 팁과 제2 다이아몬드 팁 중 적어도 하나는 100 미크론 미만의 폭을 한정하는 절삭 공구 조립체.
  6. 제1항에 있어서, 제1 다이아몬드 팁의 절삭 폭에 대한 제1 다이아몬드 팁의 절삭 높이의 종횡비는 대략 1 대 1 초과인 절삭 공구 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 절삭 공구 조립체는 제1 및 제2 다이아몬드 팁의 절삭 방향에 수직한 축을 중심으로 회전되도록 구성되는 플라이 커팅 조립체인 절삭 공구 조립체.
  8. 제7항에 있어서, 제1 및 제2 공구 섕크는 제1 및 제2 다이아몬드 팁의 절삭 방향에 수직한 축에 평행하게 연장되는 절삭 공구 조립체.
  9. 제7항에 있어서, 플라이 커팅 조립체는 제1 및 제2 공구 섕크를 수용하는 복수의 슬롯들을 포함하는 절삭 공구 조립체.
  10. 1 ㎜ 미만의 폭을 한정하는 제1 다이아몬드 팁을 형성하는 제1 공구 섕크를 장착 구조체 내에 장착하는 단계와,
    1 ㎜ 미만의 폭을 한정하는 제2 다이아몬드 팁을 형성하는 제2 공구 섕크를 장착 구조체 내에 장착하는 단계와,
    제1 및 제2 다이아몬드 팁이 10 미크론 미만의 허용 오차 내에서 제1 및 제2 다이아몬드 팁의 절삭 방향으로 정렬되도록 제1 및 제2 공구 섕크를 장착 구조체 내에 정렬시키는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 제1 다이아몬드 팁을 장착 구조체 위로 높이(H1)에 배치시키고 제2 다이아몬드 팁을 장착 구조체 위로 높이(H2)에 배치시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 높이(H1)와 높이(H2)의 차이는 100 미크론 미만인 방법.
  13. 제10항에 있어서, 제1 다이아몬드 팁은 공작물 내에 깊이(D1)의 홈을 생성하며, 제2 다이아몬드는 깊이(D2)의 더 깊은 홈을 생성하는 방법.
  14. 제10항에 있어서, 제1 다이아몬드 팁은 공작물 내에 깊이(D1)의 홈을 생성하며, 제2 다이아몬드는 상기 홈 내에 깊이(D2)의 하위 형상체를 생성하는 방법.
  15. 제10항에 있어서, 장착 구조체는 제1 및 제2 다이아몬드 팁의 절삭 방향에 수직한 축을 중심으로 회전되도록 구성되는 플라이 커팅 조립체인 방법.
  16. 제15항에 있어서, 다이아몬드 팁을 각각 형성하는 복수의 공구 생크들의 각 각을 플라이 커팅 조립체의 복수의 슬롯들 중 하나에 장착시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  17. 제10항에 있어서, 위치 설정 피드백에 응답하여 공구 가공 마이크로스코프의 아래에서 제1 및 제2 공구 섕크 중 적어도 하나의 위치를 서로에 대해 조절하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  18. 제10항에 있어서,
    제1 및 제2 공구 섕크 중 적어도 하나를 측각기를 사용하여 회전시켜 공구 섕크를 장착 구조체에 대해 각방향으로 정렬시키는 단계와,
    제1 및 제2 공구 섕크 중 적어도 하나를 정밀 만곡 스테이지를 사용하여 일 평면에서 병진 이동시켜 공구 섕크를 장착 구조체에 대해 위치시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  19. 장착 구조체와;
    장착 구조체 내에 장착되고, 1 ㎜ 미만의 폭을 한정하는 제1 다이아몬드 팁과 1 ㎜ 미만의 폭을 한정하는 제2 다이아몬드 팁을 형성하는 공구 섕크를 포함하며,
    제1 및 제2 다이아몬드 팁은 절삭 공구 조립체의 절삭 방향으로 정렬되는 절삭 공구 조립체.
  20. 제19항에 있어서, 제1 다이아몬드 팁은 공작물 내에 깊이(D1)의 홈을 생성하며, 제2 다이아몬드는 상기 홈 내에 깊이(D2)의 하위 형상체를 생성하는 절삭 공구 조립체.
  21. 제19항에 있어서, 제1 다이아몬드 팁과 제2 다이아몬드 팁 중 적어도 하나는 100 미크론 미만의 폭을 한정하는 절삭 공구 조립체.
  22. 제19항에 있어서, 제1 및 제2 다이아몬드 팁은 10 미크론 미만의 허용 오차 내로 정렬되는 절삭 공구 조립체.
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