KR20100048902A

KR20100048902A - 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수를 측정하는 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20100048902A
Application number: KR1020090102624A
Authority: KR
Inventors: 레오나드 보룩키; 나오끼 리끼따; 아라 필리포시안; 프란시스카 마리아 아스트리드 수다르호; 윤 주안
Original assignee: 미츠비시 마테리알 가부시키가이샤; 아라카 인코포레이티드
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2010-05-11
Also published as: EP2181805A2; TW201016386A; CN101726457A; US20100107726A1; EP2181805A3; JP2010105147A

Abstract

본 발명의 과제는 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수를 용이하고 또한 정확하게 측정하는 장치와 방법을 제공하는 것이다.

이 장치는 중량이 있는 강성 재료로 이루어지는 베이스 수단(36)과, 상기 베이스 수단(36) 상에 설치된 디스크 마찰 수단(39)과, 상기 디스크 마찰 수단(39)의 디스크 마찰면을 따라서 상기 컨디셔닝 디스크(52)를 이동하는 이동 수단(48)과, 상기 이동 수단에 대해 컨디셔닝 디스크(52)를 고정하는 고정 수단(50)과, 상기 디스크 마찰면을 따라서 상기 컨디셔닝 디스크(52)를 이동하는 상기 이동 수단(48)을 구동하는 구동 수단(41)과, 상기 이동하는 컨디셔닝 디스크(52)에 의해 상기 디스크 마찰면에 가해지는 마찰력을 측정하는 측정 수단(28)을 구비한다.

컨디셔닝 디스크, 플레이트, 러너, 설치구, 가이드 돌조

Description

컨디셔닝 디스크의 마찰 계수를 측정하는 장치 및 방법 {DEVICE FOR DETERMINING THE COEFFICIENT OF FRICTION OF DIAMOND CONDITIONER DISCS AND A METHOD OF USE THEREOF}

본 발명은 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

컨디셔닝 디스크는 반도체 웨이퍼 등을 폴리우레탄 연마 패드로 연마하는 CMP 공정(화학 기계 연마 공정)에서 사용되고 있고, 폴리우레탄 연마 패드의 거칠기를 유지하는 기능을 발휘한다. 이들 컨디셔닝 디스크는 신뢰성이 있는 품질 및 유효성의 기준에 따라서, 몇 개의 공급 업자에 의해 제조 및 판매되고 있다. 일반적으로, 컨디셔닝 디스크의 성능은, 특히 디스크의 표면에 있는 다이아몬드 등의 지립의 총수 및 어느 특정 기간의 사용 후 또는 환경 시험 후에 남은 지립의 수에 기초하여 평가된다. 지립의 수는 CMP 공정 중에 폴리우레탄 CMP 패드의 표면을 연마할 때의 컨디셔닝 디스크의 유효성에 관계한다. 이 유효성을 결정하는 다른 방법으로서는, 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수를 측정하는 방법이 있다. 마찰 계수를 측정하는 방법에서는 유효한 지립의 수를 조사할 뿐만 아니라, 지립의 분포, 치수, 거칠기 및 컨디셔닝 디스크에 의해 폴리우레탄 패드를 깎을 때의 그 밖의 요인을 고려한다.

본 출원인은 컨디셔닝 디스크에 있어서의 활성 지립수의 측정 방법에 대해, 특허 출원[특허 문헌 1 : 일본 특허 출원 공개 제2008-80480호 공보(2008년 4월 10일 공개)]을 행하고 있다. 그러나, 현재까지 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수를 높은 재현성을 갖고 결정하는 방법은 개시되어 있지 않다.

지금까지, 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수를 알고 싶어하는 당업자는, 어떤 조건 하이면, 종래 기술에서 이용 가능한 방법에 의해 결정할 수 있었다. 2003년 공개된 「Abrasive Technology TECHVIEW」에 게재된 논문 「Optimizing Diamond Conditioning Disks for the Tungsten CMP Process」(비특허 문헌 1)(http://www.abrasive-tech.com/pdf/tcmptungsten.pdf)에서는, Mark Bubnick 박사 및 Sohail Qamar씨에 의해, Rodel사제 「IC 1000 패드」(상품명)를 사용한 Abrasive Technology사의 「컷트레이트 테스터」(상품명)를 사용하여, 탈이온수의 존재 하에서 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수를 측정하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이 방법은 복잡한 설정 및 고가의 재료를 필요로 하는 것이어서, 단시간에 또는 단일의 방향에 관하여 디스크의 계수를 결정하는 것은 곤란했다.

컨디셔닝 디스크의 사용자는 공정의 품질 관리를 행하는 관점에서, 컨디셔닝 디스크의 제조자로부터 동일한 질의 제품을 수취하고 있는지 여부를 알 필요가 있다. 그와 같은 검사에서는 사용자가 필요로 하고 있는 컨디셔닝 디스크에 관한 사양을, 사용자가 보다 정확하게 결정할 수 있어야만 한다. 사용자는 자신의 디스크 가 일정한 동작 조건 하에서 얼마나 잘 동작하고 있는지 알고 싶다고도 생각할 가능성이 있고, 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수를 결정하는 정확한 방법은 그때에도 사용자에게 유용한 정보를 가져다 준다. 또한, 연구 개발의 관점에서, 그와 같은 시험의 결과는 컨디셔닝 디스크의 제조 업자에게 현행의 컨디셔닝 디스크의 제조 공정을 어떻게 개선할지에 대해 보다 유용한 정보 또는 새로운 CMP 및 관련되는 공정의 개발에 있어서의 보다 유용한 정보를 가져다 준다.

[특허 문헌 1] 일본 특허 출원 공개 제2008-80480호 공보(2008년 4월 10일 공개)

[비특허 문헌 1] 2003년 공개된 「Abrasive Technology TECHVIEW」에 게재된 논문 「Optimizing Diamond Conditioning Disks for the Tungsten CMP Process」(비특허 문헌 1)(http://www.abrasive-tech.com/pdf/tcmptungsten.pdf)

본 발명은 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수를 정확하고 또한 용이하게 측정하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 그 밖의 이점은 이하의 설명으로부터 명백해진다.

본 발명의 장치는 베이스 수단과, 상기 베이스 수단 상에 설치된 디스크 마찰 수단을 구비하고, 베이스 수단과 디스크 마찰 수단의 양쪽이 마찰 계수의 측정을 위해 상기 컨디셔닝 디스크의 수평 이동을 가능하게 하는데 충분한 길이를 갖고, 장치는 또한, 상기 디스크 마찰면을 따라서 상기 컨디셔닝 디스크를 이동하는 이동 수단과, 상기 디스크 마찰면을 따라서 상기 컨디셔닝 디스크를 이동하는 상기 이동 수단에 대해 컨디셔닝 디스크를 고정하는 고정 수단과, 상기 디스크 마찰면을 따라서 상기 컨디셔닝 디스크를 이동하는 상기 이동 수단을 구동하는 구동 수단과, 상기 이동하는 컨디셔닝 디스크에 의해 상기 디스크 마찰면에 가해지는 마찰력을 측정하는 측정 수단을 구비한다. 본 발명의 장치는 또한, 컨디셔닝 디스크의 이동 속도를 측정하는 측정 수단을 갖고 있어도 좋다.

또한, 본 발명의 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수의 측정 방법은 상기 마찰 계수 측정 장치를 사용하는 방법이며, 상기 이동 수단에 의해 상기 디스크 마찰 수단의 디스크 마찰면을 따라서 상기 컨디셔닝 디스크를 이동하는 공정과, 상기 이동하는 컨디셔닝 디스크에 의해 상기 디스크 마찰면에 가해지는 마찰력을 측정하는 공정을 갖는다. 컨디셔닝 디스크의 이동 속도를, 속도 측정 수단을 사용하여 측정해 도 좋다.

본 발명에 따르면, 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수를 정확하고 또한 용이하게 측정할 수 있다.

본 명세서에 있어서, 이하의 설명에서 사용하는 「전방」은 마찰 계수의 측정 중에 컨디셔닝 디스크를 이동시키는 방향을 가리키고, 「후방」은 그것과는 반대의 방향을 가리킨다. 컨디셔닝 디스크는 일반적으로 원반 형상을 이루고, 하면의 전체면에 지립층을 갖고, 이 지립층의 표면에는 다수의 미세한 다이아몬드 등의 지립이 분산되어 있다. 이 지립층에 의해 폴리우레탄 등으로 이루어지는 CMP 패드의 표면을 연삭하여, CMP 패드의 표면에 적당한 조면(組面)을 형성하여 CMP 공정의 효율을 높이는 효과를 발휘한다.

본 발명의 발명자는 미사용 상태 또는 일정 기간 사용 후의 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수를 용이하고 또한 저비용으로, 높은 신뢰성을 갖고 측정하기 위해, 이 문제를 체계적이고 또한 장기간에 걸쳐서 연구하여, 그 결과, 본 발명을 완성시켰다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시 형태를 도시하고 있다. 이 장치는 수평으로 배치된 강성을 갖는 직육면체 형상의 베이스 수단(36)(슬래브)과, 상기 베이스 수단(36)의 상면 전체면에 고정된 일정 두께의 시트 형상을 이루는 디스크 마찰 수단(39)을 구비하고 있다. 상기 베이스 수단(36)과 상기 디스크 마찰 수 단(39)의 수평 방향의 길이는 모두 마찰 계수의 측정을 위해 상기 컨디셔닝 디스크(52)의 수평 이동을 충분히 가능하게 하는 길이를 갖고 있다. 장치는 또한, 상기 디스크 마찰 수단(39)의 디스크 마찰면(상면)을 따라서 컨디셔닝 디스크(52)를 수평으로 이동하는 이동 수단(48)과, 이동 시에 이동 수단(48)에 대해 컨디셔닝 디스크(52)를 고정하는 고정 수단(50)과, 상기 이동 수단(48)을 구동하는 구동 수단(41)과, 상기 이동하는 컨디셔닝 디스크(52)에 의해 상기 디스크 마찰면에 가해지는 마찰력을 측정하는 측정 수단(28)을 구비하고 있다. 필수는 아니지만, 이 장치는 또한, 컨디셔닝 디스크(52)의 이동 속도를 측정하는 측정 수단을 갖고 있어도 된다.

본 실시 형태의 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수의 측정 방법은 상기 마찰 계수 측정 장치를 사용한 방법이며, 상기 이동 수단(48)에 의해 상기 디스크 마찰면의 길이 방향에 따라서, 지립면을 하향으로 한 상기 컨디셔닝 디스크(52)를 이동하는 공정과, 상기 이동하는 컨디셔닝 디스크(52)에 의해 상기 디스크 마찰면에 가해지는 마찰력을 측정 수단(28)으로 측정하는 공정을 갖는다. 이 방법에 따르면, CMP 연마에서 사용하는 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수를, 컨디셔닝 디스크를 다양한 이동 속도로 이동하면서, 또한 컨디셔닝 디스크에 대해 다양한 수직 하중을 가하면서 측정할 수 있다. 컨디셔닝 디스크의 이동 속도를 측정하여, 데이터로서 활용해도 좋다.

이 장치 및 방법에 따르면, CMP 패드의 표면을 거칠게 하기 위해 사용되는 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수를, 보다 효과적으로 측정할 수 있다. 컨디셔닝 디스 크의 지립층은 기질(基質))이 되는 결합상과, 이 결합상에 분산된 다수의 미세한 다이아몬드 등의 지립으로 이루어지고, 지립층의 마찰 계수는 상기 결합상의 고유의 마찰 특성에 추가하여, 개개의 다이아몬드의 거동으로부터 발생하는 마찰 특성으로부터도 영향을 받는다. 즉, 마찰 계수는 결합상과 지립의 어느 한쪽의 요소에 의해 결정되는 것이 아니라, 서로 상호 작용하는 2개의 요소의 복합계이므로, 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수를 결정하기 위해서는, 마찰 상대가 되는 디스크 마찰 수단(39)의 경도가, CMP 패드에 사용되는 재료(일반적으로는 폴리우레탄)와 동일한 것이 중요하다. 이 관점에서는, 디스크 마찰 수단(39)은 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, AS 수지, ABS 수지, 폴리염화비닐, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아미드, 불소 수지, 폴리아세탈, 폴리페닐렌옥시드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리술폰, 폴리페닐렌술피드, 아세트산셀룰로오스, 아크릴 수지 등의 열가소성 수지 ; 및 폴리우레탄, 페놀 수지, 폴리에스테르 수지, 에폭시 수지, 실리콘 수지, 폴리이미드 수지 등의 열경화성 수지로부터 선택되는 1종 또는 복수종을 사용할 수 있다. 복수종의 경우에는 혼합물이라도, 이종(異種)의 재질의 적층체라도 좋다. 디스크 마찰 수단(39)의 보다 바람직한 재질은 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 아크릴 수지로부터 선택되는 1종 또는 복수종이다. 더욱 바람직하게는, 폴리카보네이트 또는 폴리우레탄이고, 특히 평활도가 매우 높은 폴리카보네이트 시트는 저비용으로 용이하게 입수 가능하므로 바람직하다. 단, 본 발명은 그것으로 한정되지 않는다.

실제의 마찰 계수는 서로 마찰하는 2개의 표면, 즉 컨디셔닝 디스크의 지립 층의 표면 및 그것이 접촉하는 디스크 마찰 수단(39)의 표면의 미시적 특성으로부터 영향을 받는다. 그러나, 컨디셔닝 디스크의 성능 평가에 있어서는, 특히 지립층의 표면으로부터 돌출된 지립의 효과가 가장 중요한 것이다. 디스크 마찰 수단(39)으로서, 폴리카보네이트 또는 폴리우레탄, 혹은 그 밖의 적절한 재료의 동일한 시트를 항상 일관하여 사용함으로써, 얻어지는 마찰 계수 데이터의 변화를 비교할 수 있다. 이에 의해, 초기 상태로 디스크에 설치된 다이아몬드의 수, 배치 또는 질의 차이에 기인하는 성능 비교도 가능하고, 보다 간접적으로는 디스크의 사용 전후에 있어서의 지립 마모에 의한 성능 변화도 검출하는 것이 가능해진다. 또한, 동일한 디스크를 그 축선 주위로 일정 각도 회전시켜 측정했을 때에 있어서의, 마찰 계수의 미묘한 변화도 잡아 낼 수 있다.

마찰 계수는 2개의 물체의 접촉면에 작용하는 마찰력을, 2면을 수직으로 누르는 하중으로 나눈 것과 동등하다. 측정 시의 컨디셔닝 디스크의 이동 속도 및 측정 온도는 마찰 계수에 영향을 미치기 때문에, 다른 디스크 사이 또는 다른 시간에서의 동일한 디스크 사이에서 비교 가능한 마찰 계수 데이터가 얻어지도록, 일정하게 고정되어야만 한다. 컨디셔닝 디스크의 지립층 면적은, 동일한 면적을 갖는 디스크와의 비교 시에는 영향이 없을 것이지만, 다른 크기의 디스크의 마찰 계수를 비교할 때에는 영향을 미친다. 이 장치 및 방법에 따르면, 지립층의 상태 이외의 조건의 대부분을 고정할 수 있어, 디스크의 전방 이동에 저항하는 지립의 힘의 함수로서, 마찰력의 값을 얻을 수 있다. 즉, 디스크 상의 하중이 기지이고, 표면적, 디스크 속도 및 온도 등의 그 밖의 요인의 영향을 일정하게 유지하는 것이 용이하 므로, CMP 공정으로의 사용 전후의 동일 또는 다른 디스크끼리의 지립의 영향을 용이하고 또한 정확하게, 또한 높은 재현성을 갖고 비교하는 것이 가능하다.

컨디셔닝 디스크의 제조 업자 및 사용자는 컨디셔닝 디스크가 어느 정도 거친 것인지 및 그 연장선상에서 그것이 CMP 패드를 어떻게 거칠게 하는 것이 가능한지를 알 필요가 있다. 제조 업자 및 사용자는 디스크 사이에 얼마나 많은 변동이 있는지 알 필요도 있다. 단일의 디스크가 어느 방향을 향해 CMP 패드를 가로질러 이동한 경우에도, 연삭 특성에 있어서 일관성이 있는지 여부를 아는 것도 바람직하다. CMP 공정 중의 디스크의 회전에 의해 방향성의 영향은 최저한으로 억제되지만, 방향성은 컨디셔닝 디스크의 특성이다. 또한, 일반적으로 또는 특정한 조건 하에서의 사용에 의해, 어느 정도 급속하게 컨디셔닝 디스크의 연삭 능력이 변화되는지를 정량적으로 아는 것이 바람직하다.

본 발명의 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수 측정 장치 및 방법은 다수의 컨디셔닝 디스크에 대해 차례로, 혹은 동일 또는 복수의 디스크에 대해 단시간에 복수회 반복하여 측정을 행할 수 있어, 마찰력 또는 전단력을, 디스크를 디스크 마찰면에 수직으로 누르는 힘으로 나누는 단순한 계산에 의해 디스크의 마찰 계수를 결정할 수 있다. 이와 같이 하여, CMP 패드를 연삭하는 능력을 직접적으로 평가할 수 있는 마찰 계수를, 신속하고 또한 용이하게 측정함으로써, 종래 기술의 한계를 극복한다. 본 발명의 구조에 따르면, 측정 시의 온도, 컨디셔닝 디스크의 이동 속도, 컨디셔닝 디스크에 접촉하는 표면의 평탄도 및 재료의 일관성, 하중 등의 다양한 요인의 제어를 매우 용이하게 한다. 이 장치는, 본질적으로 평탄하고 매우 안정된 표면을 갖는 베이스 수단과, 그 위에 배치되는, CMP 패드에 사용되는 폴리우레탄의 경도 특성과 동일하거나 또는 근사한 경도 특성을 갖는 재료의 시트와, 이 시트의 표면을 따라서 컨디셔닝 디스크를 이동하는 이동 수단과 컨디셔닝 디스크가 이동할 때에 베이스 수단에 가해지는 마찰력을 측정하는 어떤 측정 수단이 놓인다. 디스크를 시트에 대해 누르는 하향의 힘은 컨디셔닝 디스크의 질량에 임의의 하중을 가한 질량으로부터 계산에 의해 알 수 있다. 마찰력이 얻어지면, 마찰력을 하향의 힘으로 나눔으로써, 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수를 산출할 수 있다.

이하의 본 발명의 부품에 관한 모든 치수는 직경이 7.6㎝(3인치)인 컨디셔닝 디스크를 기준으로 한 것이고, 사용되는 샘플의 크기에 맞추어 적절하게 치수를 변경하는 것이 가능하다. 본 명세서에 기재되어 있는 특정한 치수는 결코 본 발명을 한정하는 것이 아니라, 예로서 본 발명의 효과적인 실시 형태를 설명하기 위한 것이다.

베이스 수단(36)으로서는, 용이하게 손상되지 않고, 정밀하고 평탄한 마무리 연마를 용이하게 할 수 있고, 온도의 변화에 따라서 형태나 치수가 변화되는 경우가 적고, 작동 중에 진동을 발생 또는 전달하는 경우가 적은, 안정성이 우수하고, 변형이 없는 재질이 바람직하고, 그와 같은 상태를 유지하기 쉬운 중실의 슬래브를 사용하는 것이 바람직하다. 베이스 수단(36)으로서는, 특히, 중실의 중량이 있는 석재, 세라믹, 금속 또는 플라스틱의 복합 재료가 바람직하고, 연마된 석재의 블록이 더욱 바람직하다. 연마된 블록 형상의 석재를 사용하는 경우, 석재의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 연마된 표면을 유지할 수 있는 높은 밀도와 구조적인 일 관성을 갖는 임의의 석재를 사용할 수 있지만, 화강암, 반려암, 페그마타이트, 섬록암, 현무암 등이 바람직하고, 화강암이 특히 바람직하다. 베이스 수단(36)의 치수는 컨디셔닝 디스크(52)의 지립면보다도 충분히 넓은 임의의 폭을 갖는 것이 필요하고, 폭은 적어도 10.2㎝(4인치)인 것이 바람직하다. 베이스 수단(36)의 길이는 특별히 한정되지 않지만, 마찰력 측정 수단에 의해 마찰력의 판독치를 얻기 위해, 컨디셔닝 디스크가 충분히 길이 방향으로 이동할 수 있는 데 충분한 길이를 가질 필요가 있다. 적어도 45.7㎝(18인치)의 길이가 바람직하다. 베이스 수단(36)의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 충분한 강성을 확보하도록 하는 데 두께가 약 12.7㎜(0.5인치) 이상인 것이 바람직하다. 그러나, 베이스 수단(36)의 치수가 지나치게 큰 경우, 마찰력 측정 수단(28)으로 마찰력을 측정할 때의 베이스 수단(36)의 동작이 방해될 정도로, 질량이 커서는 문제가 있다. 따라서, 원칙적으로, 베이스 수단(36)의 치수 및 질량은 조작을 위한 안정된 원활한 표면을 제공하고, 컨디셔닝 디스크(52)의 이동 거리가 사용자에게 바람직한 범위에 있어서, 필요 이상으로 커져서는 안된다.

베이스 수단(36) 상에 설치되는 디스크 마찰 수단(39)으로서는, 컨디셔닝 디스크(52)의 지립면에 의해 균일하게 마찰시킬 수 있도록, 극히 원활한 평탄면을 갖는 임의의 단단한 재료를 사용할 수 있다. CMP 패드에 사용되는 재료(일반적으로는 폴리우레탄)와 동일하거나 또는 유사한 경도를 갖는 단단한 재료가 바람직하다. 특히, 본질적으로 매우 평탄한 원활면을 갖고, 가정용 철물점 등으로부터도 용이하게 구입할 수 있는 폴리카보네이트 시트가 보다 바람직하다. 디스크 마찰 수 단(39)은 베이스 수단(36)의 상면의 전체면 또는 대략 전체면에 밀착하여 설치되고, 설치 수단은 한정되지 않지만, 디스크 마찰 수단(39)의 적어도 4코너를 베이스 수단(36)에 꽉 눌러서 착탈 가능하게 고정하는 각종 클램프가 바람직하다.

디스크 마찰 수단(39)의 디스크 마찰면을 따라서 컨디셔닝 디스크(52)를 이동시키는 이동 수단(48)으로서는, 마찰력을 견디고 디스크(52)를 일정한 속도로, 맥동하는 일 없이, 이동 가능하면 어떤 이동 수단도 사용 가능하다. 이동 수단(48)으로서, 예를 들어 나사 이송 기구(스크류 피더), 체인, 액체 또는 그 밖의 유체, 혹은 전자기 기구를 구비하는 모터 등에 의해 구동되는 기구를 사용할 수 있다. 저속으로 고토크를 용이하게 실현할 수 있는 기구로서는, 컨디셔닝 디스크(52)를 고정하는 고정 수단(50)이 설치된 나사산이 구비된 블록(48)을, 축선 주위로 회전하는 긴 스크류(41)로 이동시키는 스크류 피더가 바람직하다.

스크류(41)는 모터에 의해 구동되고 있어도 좋다. 컨디셔닝 디스크(52)가 디스크 마찰 수단(39)에 부여한 마찰력은 베이스 수단(36)과 베이스 사이에 설치된 하중계(로드셀)로 측정해도 좋다.

이동 수단(48)에 대해 컨디셔닝 디스크(52)를 고정하는 고정 수단(50)으로서는, 이동 수단(48)이 전방으로 이동할 때에, 컨디셔닝 디스크(52)를 강성적으로 지지하고, 컨디셔닝 디스크(52)를 추종하여 이동시킬 수 있고, 또한 그 사이에 컨디셔닝 디스크(52)의 회전은 저지할 수 있는, 어떤 수단도 사용할 수 있다. 예를 들어, 고정 수단은 이동 수단(48)에 고정된 홀더(50)이고, 홀더(50)의 디스크 이동 방향의 전방측에는 평면에서 볼 때 오목형을 이루는 오목부가 형성되어 있어도 된 다. 이 오목부는 디스크 연마면 상에 지립면을 하향으로 하여 배치된 컨디셔닝 디스크(52)의 외주의 적어도 일부를 수용하는 형상을 갖고, 이동 수단(48)이 디스크 이동 방향의 전방측으로 이동할 때에 오목부는 컨디셔닝 디스크(52)를 유지한다. 또한, 유지 상태에 있어서 컨디셔닝 디스크(52) 상에 적재 가능한 복수종의 추(54)를 구비하고 있는 것이 바람직하다.

홀더(50)는 플라스틱, 세라믹, 금속 또는 그 밖의 단단한 재료로 제작된 평면에서 볼 때 오목형을 이루는 구조체이고, 그 오목면은 모두 디스크 연마면에 수직인 것이 바람직하다. 수직면이면, 컨디셔닝 디스크(52)에 대해 수평 방향의 힘만을 발생시키고, 연직 방향의 힘을 발생시키지 않게 되기 때문이다. 홀더(50)의 치수는 컨디셔닝 디스크(52)를 유지하기 위한 적절한 임의의 치수이면 좋고, 예를 들어 오목부의 폭은 7.6㎝(3인치)라도 좋다. 홀더(50)의 높이는 어느 정도의 하중을 갖는 추(54)를 컨디셔닝 디스크(52) 상에 적재했을 때에, 컨디셔닝 디스크(52)와 추(54)를 동시에 누를 수 있도록 임의의 적절한 치수가 선택되지만, 예를 들어 약 38.1㎜(1.5인치)의 높이가 바람직하다.

이동 수단(48)을 구동하는 구동 수단(41)으로서, 본 실시 형태에서는, 도시하지 않은 케이블에 의해 컨트롤러에 접속되어, 스크류(41)의 단부에 케이블 설치구(46)를 통해 연결된 스텝퍼 모터(도시 생략)가 바람직하다. 컨트롤러에 의해, 스텝퍼 모터의 회전수는 일정한 범위 내에서 정확하게 제어할 수 있다.

본 실시 형태에서는 컨디셔닝 디스크(52)의 이동 속도를 측정하는 측정 수단이 설치되어 있다. 측정 수단은 한정되지 않지만, 이동 방향에 따라서 복수 배치 된 점의 사이를 컨디셔닝 디스크(52)가 이동하기 위해 필요한 시간을 기록하는 센서 혹은 타이머를 포함하는 임의의 수단을 사용할 수 있고, 예를 들어 모터 또는 나사의 회전수에 기초하여 연속적으로 디스크의 속도를 계산 및 기록하는 소프트웨어 프로그램이 바람직하다.

마찰력을 측정하는 측정 수단(28)으로서는, 종래부터 알려져 있는 어떤 타당한 측정 수단도 사용할 수 있다. 그러나, 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 베이스 수단(36)을 지지하는 상부 플레이트(10)를 설치하여, 이 상부 플레이트(10)를 러너(18)(또는 레일, 차륜 또는 가이드)에 의해 하부 플레이트(12)에 대해 평행하고 또한 매끄럽게 베이스 수단(36)의 길이 방향으로 이동 가능하게 지지하고, 이들 상부 플레이트(10)와 하부 플레이트(12) 사이에 양자 사이에 가해지는 수평 방향의 하중을 측정하기 위한 하중 센서(로드셀)(28)를 설치하고, 이 하중 센서(28)에 의해, 컨디셔닝 디스크(52)의 이동에 따라서 디스크 마찰 수단(39)의 디스크 마찰면에 작용하는 마찰력을 측정하는 구성으로 하는 것이 바람직하다. 상부 플레이트(10) 및 하부 플레이트(12)는 한정되지 않지만, 45.36㎏(100파운드)보다 가볍고, 그 형상을 용이하게 변형되지 않는 강성 및 내구성이 있는 재료로 제작할 수 있고, 예를 들어 강판이 바람직하다.

2개의 플레이트(10, 12) 사이에 하중 센서(28)를 설치하는 구조로서는, 종래부터 알려져 있는 임의의 구조를 사용할 수 있지만, 상부 플레이트(10)의 일단부(22)에 도 3에 도시한 바와 같이 하향의 돌기(24)를 형성하는 한편, 하부 플레이트(12)의 대응하는 일단부에는 상향의 돌기(22)를 형성하고, 돌기(22)측에 하중 센 서(28)를 볼트(30) 등으로 설치하여, 그 감지부(34)를 돌기(24)에 볼트 등으로 결합시켜도 좋다. 본 실시 형태에서는 2개의 평행한 매끄러운 막대 형상의 러너(18)가, 하부 플레이트(12)에 고정된 각 한 쌍의 받침대(14) 사이에, 각각 수평으로 또한 전후 방향을 향해 고정되어 있다. 각 러너(18)에는 한 쌍의 러너 홀더(16)가 매끄럽게 이동 가능하게 통과되어 있고, 이들 총 4개의 러너 홀더(16)가 상부 플레이트(10)의 하면에 고정되어 있다. 이에 의해, 상부 플레이트(10)는 러너(18)를 따라서 거의 저항 없이 매끄럽게 수평으로 또한 전후 방향으로 이동 가능하게 되어 있다. 상부 플레이트(10)의 하부 플레이트(12)에 대한 이동 가능 거리는 하중 센서(28)에 의해 마찰력을 계측할 수 있을 정도의 거리이면 된다. 또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 상부 플레이트(10)와 하부 플레이트(12)의 대향면에는 각각 전후 방향으로 신장되는 각진 막대 형상의 가이드 돌조(25)가 형성되어, 양자가 매끄러운 측면을 서로 결합함으로써, 상부 플레이트(10)와 하부 플레이트(12)의 좌우 방향으로의 이동을 저지하는 구성으로 되어 있어도 된다. 러너 홀더(16) 및 러너(18)의 미끄럼 이동면은 마찰 저항이 작은 내마찰 재료에 의해 처리 또는 피복되어 있는 것이 바람직하다. 받침대(14)와 러너(18) 사이가 미끄럼 이동하는 구성으로 해도 좋다.

하중 센서(28)는 임의의 적절한 수단에 의해 돌기(22)에 설치할 수 있지만, 본 실시 형태에서는 2개의 12.7㎜(0.5인치)의 볼트(30)에 의해 고정되어 있다.

본 실시 형태의 장치에 의해 마찰 계수를 측정하기 위해서는, 우선 주위의 온도 및 습도를 측정한 후에, 고정 수단(50)의 오목부에 컨디셔닝 디스크(52)의 외 주를 따르게 하여, 컨디셔닝 디스크(52)를 디스크 마찰면 상에 지립층을 하향으로 하여 배치한다. 컨디셔닝 디스크(52) 상에는 0㎏ 내지 4.983㎏(11파운드) 사이의 기지의 질량의 추(54)를 적재한다. 컨트롤러에 의해 스텝퍼 모터를 정속 회전시켜, 미리 정해 둔 1초당 소정의 인치수의 속도로, 디스크 마찰면의 길이 방향으로 컨디셔닝 디스크(52)를 이동시켜 하중 센서(28)에 의해 마찰력을 측정한다. 마찰력은 컴퓨터에 의해 일정 타이밍으로 계속적으로 기록하여 평균치를 구해도 좋다. 마찰 계수는 하중 센서(28)에 의해 측정된 마찰력을 컨디셔닝 디스크(52)의 질량 및 추(54)의 질량의 합계치로 나눈 값으로서 얻어진다. 1회의 측정이 완료되면, 컨디셔닝 디스크(52)를 일정 각도 축선 주위로 회전시킨 후(예를 들어, 90도), 다시 측정을 반복하여 디스크가 1회전할 때까지 얻어진 복수회의 결과를 평균해도 좋고, 혹은 각 회의 측정 결과를 비교하여, 지립층의 연삭 효과의 방향성을 평가해도 좋다. 회전 각도는, 예를 들어 30, 45, 60, 90, 120° 등이 좋다.

디스크 마찰 수단(39)은 조건을 동일하게 하기 위해 1회 측정할 때마다 신품과 교환하는 것이 바람직하다. 동일한 디스크(52)에 대해 사용 기간이 다른 복수의 시기에 반복해서 마찰 계수 측정을 행함으로써, 컨디셔닝 디스크의 성능의 경시 변화를 측정할 수도 있고, 또는 제조 업자로부터 입수한 다수의 동일한 컨디셔닝 디스크를 측정하여 편차를 평가하는 것도 가능하다. 디스크 이동 속도와, 마찰력에 관한 센서 데이터가 출력되므로, 그들 데이터로부터 소프트웨어를 이용하여 마찰 계수를 계산할 수 있다. 데이터는 케이블, 무선 안테나 또는 임의의 적절한 수단에 의해 하중 센서(28)로부터 컴퓨터 또는 계산 수단까지 전달할 수 있다.

(제1 실시예)

이하의 구성에서, 도 1 내지 도 3에 도시하는 측정 장치를 조립하였다. 45.7㎝(18인치) × 76.2㎝(30인치)의 치수를 갖는 두께 6.35㎜(1/4인치)의 2개의 강판에 의해 상부 플레이트(10) 및 하부 플레이트(12)를 제작하였다. 하부 플레이트(12)는 중실의 테이블(44)의 표면에 볼트 고정되어 있다. 4개의 받침대(14)가 하부 플레이트(12)의 상면에 볼트 고정되어 있다. 4개의 러너 홀더(16)가 상부 플레이트(10)의 저부에 한 쌍의 선을 따라서 설치되고, 2개의 러너(18)가 러너 홀더(16) 사이에 고정되어 있다. 러너(18)는 전후 방향으로 적어도 짧은 거리를 자유롭게 미끄럼 이동할 수 있도록 받침대(14)에 지지되어 있다. 상방으로 돌출되는 설치구(돌기)(22)가 하부 플레이트(12)의 전방 테두리에 설치되고, 하방으로 돌출되는 설치구(돌기)(24)가 상부 플레이트(10)의 전방 테두리에, 양자의 선단부가 근접하도록 설치된다. 하중 센서(28)가 2개의 12.7㎜(0.5인치)의 볼트(30)에 의해 설치구(22)에 설치되고, 하중계의 센서 단자(32)가 설치구(24)에 접촉하도록 배치되어 있다. 장치가 사용되고 있지 않은 경우에 이동함으로써 하중계(28)를 손상시키지 않도록, 제거 가능한 12.7㎜(0.5인치)의 볼트(34)로 하중계(28)의 센서 단자가 설치구(24)에 고정되어 있다.

수평이고 평활하게 연마된 상면(38)을 갖고, 60.96㎝(2피트) × 15.2㎝(6인치) × 5.08㎝(2인치)의 치수를 갖는 화강암의 블록(36)이 설치 가이드(37)에 의해 상부 플레이트(10)의 상면에 설치되어 있다. 화강암 블록의 표면(38) 상에는 두께 2.36㎜(0.093인치)로, 화강암 블록(38)과 동일한 평면 치수를 갖는 폴리카보네이트 시트(39)가 적재되어 있다. 시트(39)는 시험 전에 동일한 것을 다수 준비하였다. 시트(39)는 복수의 클램프(도시 생략)에 의해 블록(36)에 교환 가능하게 설치되어 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 블록(38)의 길이 방향과 평행하게 신장되는 수평한 횡단부(40)가, 테이블 표면(44)에 볼트 고정된 지지 구조(42)에 의해 지지되어 있다. 횡단부(40)의 양단부 사이에는 회전 가능하게 스크류(41)의 양단부가 지지되어 있다. 스크류(41)의 일단부에는 케이블 설치구(46)가 연결되어, 케이블 설치구(46)를 통해 스텝퍼 모터(도시 생략)의 샤프트에 케이블로 연결되어 있다. 스크류(41)에는 나사산이 구비된 블록(48)이 설치되고, 블록(48)에는 컨디셔닝 디스크(52)의 외주의 일부를 파지하는 홀더(50)가 설치되어 있다. 이에 의해, 스텝퍼 모터를 구동하면 스크류(41)가 회전하여, 나사산이 구비된 블록(48)이 전후 방향으로 이동하도록 되어 있다. 스텝퍼 모터의 회전수는 컨트롤러로 조정할 수 있다. 컨디셔닝 디스크(52)와 추(54)의 합계 질량이 2.77㎏[2.76㎏(6.1lb)s]으로 되도록, 컨디셔닝 디스크(52) 상에 추(54)가 놓인다. 측정 전에, 홀더(50)에 대한 컨디셔닝 디스크(52)의 정확한 회전 위치를 기록한다.

스텝퍼 모터의 회전수를 조정하여, 추(54)를 컨디셔닝 디스크(52) 상에 배치한 상태로, 횡단부(40)의 블록(48)을 1분당 0.246m의 속도로 이동시켜, 컨디셔닝 디스크(52)를 횡단부(40)의 길이 방향으로 이동시켰다. 컨디셔닝 디스크(52)의 이동이 시작되면, 마찰력을 나타내는 하중계(28)로부터의 데이터가 연속적으로 기록되어, 디스플레이(도시 생략) 상에 그래프로서 출력된다. 데이터로부터 디스크 이동 중의 마찰 계수의 평균 및 표준 편차가 계산된다.

(제2 실시예)

다음에, 제2 실시예에서는 디스크 이동 방향에 대해 컨디셔닝 디스크의 방향을 45도 회전시키고, 다른 조건은 모두 제1 실시예와 마찬가지로 하여 측정을 행하였다.

또한, 제3 실시예 내지 제64 실시예는 컨디셔닝 디스크(52)의 교환, 45도마다 방향의 변경 및 추(54)를 교환하고, 그 밖의 조건은 공통으로 하여 측정을 행한 결과를 나타내고 있다. 제1 실시예 내지 제64 실시예의 결과를, 하기의 표 1로부터 표 16에 나타낸다.

표 1 내지 표 16에 나타낸 바와 같이, 컨디셔닝 디스크(52)에 가하는 하중을 늘리면, 예측한 바와 같이 마찰 계수는 증가하였다. 그러나, 이동 속도를 변경해도 마찰력은 대폭으로는 변화되지 않았다. 2.76㎏(6.1lb) 및 0.246m/분 하에서는, Disc979926-05-4 및 Disc979926-05-1에 관한 마찰 계수는 거의 동일하고, 이들의 2개는 마찬가지로 마찰 계수가 거의 동일한 Disc979926-05-3 및 Disc979926-05-2에 관한 마찰 계수보다도 적다. 2.76㎏(6.1lb) 및 0.493m/분 하에서는, Disc979926-05-4에 관한 마찰 계수는 Disc979926-05-1에 관한 마찰 계수보다도 적고, Disc979926-05-1에 관한 마찰 계수는 Disc979926-05-3의 마찰 계수보다도 적다. Disc979926-05-2에 관한 마찰 계수는 Disc979926-05-3에 관한 마찰 계수와 거의 동일하다. 5.44㎏(12lb) 및 0.246m/분 하에서는, Disc979926-05-4에 관한 마찰 계수는 Disc979926-05-1 및 979926-05-3에 관한 마찰 계수보다도 적고, Disc979926-05-1 및 979926-05-3에 관한 마찰 계수는 Disc979926-05-2에 관한 마찰 계수보다도 적다. 그리고 최후에, 5.44㎏(12lb) 및 0.493m/분 하에서는, Disc979926-05-4에 관한 마찰 계수는 Disc979926-05-1에 관한 마찰 계수보다도 적고, Disc979926-05-1에 관한 마찰 계수는 Disc979926-05-3에 관한 마찰 계수보다도 적고, Disc979926-05-3에 관한 마찰 계수는 Disc979926-05-2에 관한 마찰 계수보다도 적다.

디스크에 어느 정도의 편차가 있고, 디스크 모두가 반드시 하중의 증가에 동일하게 반응하지 않는 점이 흥미롭다. 평균의 표준 편차에 기초하여, 방향의 영향에 대해 디스크 사이에 어느 정도의 편차가 있는 것도 흥미롭다. 그러나, 동일한 디스크, 하중 및 방향에 의해 얻어진 측정치는, 마찰 계수의 특성 및 컨디셔닝 디스크의 연삭 능력을 재현성 좋게 반영하여 정확한 값이 얻어졌다.

도 1은 본 발명의 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수 측정 장치의 정면도.

도 2는 본 발명의 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수 측정 장치의 평면도.

도 3은 본 발명의 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수 측정 장치의 측면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 상부 플레이트

12 : 하부 플레이트

14 : 받침대

16 : 러너 홀더

18 : 러너

22 : 설치구(돌기)

24 : 설치구(돌기)

25 : 가이드 돌조

28 : 하중 센서(측정 수단)

30 : 볼트

32 : 센서 단자

34 : 볼트

36 : 화강암 블록(베이스 수단)

37 : 설치 가이드

38 : 상면

39 : 시트(디스크 마찰 수단)

40 : 횡단부

41 : 스크류(구동 수단)

42 : 지지 구조

44 : 테이블

46 : 케이블 설치구

48 : 나사산이 구비된 블록(이동 수단)

50 : 홀더(고정 수단)

52 : 컨디셔닝 디스크

54 : 추

Claims

베이스 수단(36)과, 상기 베이스 수단(36) 상에 설치된 디스크 마찰 수단(39)을 구비하고, 상기 베이스 수단(36)과 상기 디스크 마찰 수단(39)의 양쪽이 마찰 계수의 측정을 위해 상기 컨디셔닝 디스크(52)의 수평 이동을 가능하게 하는 길이를 갖고, 장치는 또한, 상기 디스크 마찰 수단(39)의 디스크 마찰면을 따라서 상기 컨디셔닝 디스크(52)를 이동하는 이동 수단(48)과, 상기 이동 수단에 대해 컨디셔닝 디스크(52)를 고정하는 고정 수단(50)과, 상기 디스크 마찰면을 따라서 상기 컨디셔닝 디스크(52)를 이동하는 상기 이동 수단(48)을 구동하는 구동 수단(41)과, 상기 이동하는 컨디셔닝 디스크(52)에 의해 상기 디스크 마찰면에 가해지는 마찰력을 측정하는 측정 수단(28)을 구비한 것을 특징으로 하는, 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수 측정 장치.
제1항에 있어서, 상기 이동 수단은 상기 베이스 수단(36) 및 상기 디스크 마찰 수단(39)의 길이 방향을 따라서 이동 가능하게 배치된 블록(48)이고, 상기 고정 수단은 상기 블록(48)에 고정된 홀더(50)이고, 상기 홀더(50)의 디스크 이동 방향의 전방측에는 평면에서 볼 때 오목형을 이루는 오목부가 형성되고, 이 오목부는 상기 디스크 연마면 상에 지립면을 하향으로 하여 배치된 컨디셔닝 디스크(52)의 외주의 적어도 일부를 수용하는 형상을 갖고, 상기 블록(48)을 디스크 이동 방향의 전방측으로 이동할 때에 상기 오목부는 컨디셔닝 디스크(52)를 유지하는 것이 가능 하고, 또한 이 유지 상태에 있어서 상기 컨디셔닝 디스크(52) 상에 적재 가능한 복수종의 추(54)를 구비한, 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수 측정 장치.
제2항에 있어서, 상기 구동 수단은, 상기 블록(48)을 상기 베이스 수단(36) 및 상기 디스크 마찰 수단(39)의 길이 방향을 따라서 이동시키기 위한 기계적 수단(41)과, 이 기계적 수단(41)을 구동하기 위한 모터를 갖는, 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수 측정 장치.
제1항에 있어서, 상기 베이스 수단은 평활한 상면을 갖는 강성 재료제의 블록(36)이고, 상기 디스크 마찰 수단은 상기 블록(36)의 상면에 교환 가능하게 고정되는 시트(39)이고, 상기 시트(39)는 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 아크릴 수지로부터 선택되는 1종 또는 복수종의 재질로 형성되고, 상기 측정 수단은 이동하는 컨디셔닝 디스크(52)에 의해 상기 블록(36)에 가해진 마찰력을 측정하는 하중계(28)인, 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수 측정 장치.
제1항에 기재된 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수 측정 장치를 사용한 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수의 측정 방법이며, 상기 이동 수단(48)에 의해 상기 디스크 마찰 수단(39)의 디스크 마찰면을 따라서 상기 컨디셔닝 디스크(52)를 이동하는 공정과, 상기 이동하는 컨디셔닝 디스크(52)에 의해 상기 디스크 마찰면에 가해지는 마찰력을 측정하는 공정을 갖는, 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수의 측정 방법.
제5항에 있어서, 상기 컨디셔닝 디스크(52) 상에 교환 가능한 추(54)를 적재한 상태로, 상기 디스크 마찰면을 따라서 상기 컨디셔닝 디스크(52)를 이동하고, 상기 컨디셔닝 디스크(52)에 의해 상기 디스크 마찰면에 가해지는 마찰력을 측정하는, 컨디셔닝 디스크의 마찰 계수의 측정 방법.