KR100414353B1

KR100414353B1 - 평판시편을 마찰 및 마멸하기 위한 미세 실험장치

Info

Publication number: KR100414353B1
Application number: KR10-2001-0038974A
Authority: KR
Inventors: 안효석; 김충현; 니콜라이 케이. 미쉬킨; 오레그 와이. 콤코브; 안드레이 엠. 두브라빈
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2001-06-30
Filing date: 2001-06-30
Publication date: 2004-01-07
Also published as: JP2003042920A; US20030000282A1; JP3726066B2; US6615640B2; KR20030002220A

Abstract

본 발명은 평판시편을 마찰 및 마멸하기 위한 미세 실험장치에 관한 것이다. 이를 위해, 소정면적의 베이스 일면에 각각 한쌍의 제 1 고정기둥과 제 2 고정기둥이 수직방향으로 결합되는 고정부와; 상기 고정부의 일측에 수평방향으로 스테인 리스관이 고정 결합되며, 상기 스테인 리스관의 일단에 결합된 제 1 보이스 코일모터의 동작으로 타단의 평판시편 지지대가 수평 왕복운동하는 구동부와; 상기 한쌍의 제 2 고정기둥의 일측에 결합된 코일모터 하단에 회전판이 수직으로 결합되는 회전판 위치제어부와; 상기 회전판에 수평 결합되는 부하평판의 일단에 볼시편이 결합되고, 타단에 균형추가 결합되는 볼시편 지지대와; 상기 제 2 고정기둥의 상단에 결합 고정되어 일단에 결합된 상기 볼시편 지지대의 움직임을 제어하는 볼시편 제어부와; 상기 고정부의 상단에 설치되어 상기 반사용 거울에 광원을 빛추어 상기 평판시편의 마찰력을 측정하는 제어 계측부와; 상기 베이스의 일면에 설치되어 상기 구동부, 상기 회전판 위치제어부 및 상기 제어 계측부에 전력을 공급하는 전원부를 포함하는 것이 특징이다.

Description

평판시편을 마찰 및 마멸하기 위한 미세 실험장치{A Micro Testing Device For Friction And Wear Plate Specimen}

본 발명은 평판시편을 마찰 및 마멸하기 위한 미세 실험장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 권선(Winding)에 인가되는 전류와 영구자석 사이의 상호작용에 의해 힘을 발생시키는 제 1 보이스 코일모터에 의해 평판시편 지지대가 왕복 운동함으로서, 볼시편에 접촉되는 평판시편 사이에 왕복 마찰을 발생시킴과 동시에 회전판 위치제어부로 볼시편의 마찰 및 마멸을 측정하고자 하는 평판시편을 마찰 및 마멸하기 위한 미세 실험장치에 관한 것이다.

일반적인 마찰 및 마멸 실험장치는 왕복운동을 발생시켜 마찰력으로 시편의 마찰/마멸 특성을 파악 및 분석하여, 초소형 기계부품의 마찰 및 마멸의 특성 연구에 활용된다.

여기서, 상기 마찰 및 마멸 실험장치는 대형의 경우 약 10N 이상의 고하중과 최소행정이 약 10mm 이상, 극소형의 경우 약 1uN 미만의 하중과 약 1um 미만의 이동거리 범위에서 작동된다.

이러한, 종래의 마찰 및 마멸 실험장치는 시편에 부가하는 하중과 미끄럼 속도가 높은 범위에 있어 미소기계의 마찰부품과 같이 매우 낮은 하중범위와, 낮은 속도범위에서 작동하는 부품에 사용되는 재료의 마찰/마멸 특성을 정확히 파악할 수 없는 문제점이 발생되었다.

또한, 종래의 마찰력 계측장비는 이동하는 시편테이블 위에 주로 장착되어, 상기 시편테이블이 움직임이 측정센서에 영향을 받아 계측장비가 시편중량에 의한 동특성 변화의 영향으로 측정오차가 발생된다.

따라서, 최근의 첨단 기기들에 사용되는 초소형 정밀부품의 저 마찰마멸 및 스틱션 방지연구를 수행하기 위해, 종래의 실험장치에서 구현할 수 없는 약 1uN ~ 1N 수준의 하중영역에서 시편의 마찰 및 마멸 실험을 하지 못하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결코자 하는 것으로, 본 발명의 목적은, 권선(Winding)에 인가되는 전류와 영구자석 사이의 상호작용에 의해 힘을 발생시키는 제 1 보이스 코일모터에 의해 평판시편 지지대가 왕복 운동함으로서, 볼시편에접촉되는 평판시편 사이에 왕복 마찰을 발생시킴과 동시에 레이저 광원에 의한 마찰 및 마멸을 측정하고자 하는 평판시편을 마찰 및 마멸하기 위한 미세 실험장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 구성으로, 소정면적의 베이스(130) 일면에 각각 한쌍의 제 1 고정기둥(110)과 제 2 고정기둥(120)이 수직방향으로 결합된 고정부(100)와;상기 고정부(100)의 일측에 수평방향으로 스테인 리스관(210)이 고정결합되며, 사기 스테인 리스관(210)의 일단에 결합된 제 1 보이스 코일모터(220)의 동작으로 타단의 평판시편 지지대(230)가 수평회전 왕복운동하는 구동부(200)와;상기 구동부(200)를 구성하는 평판시편 지지대(230)의 유동에 따라서 볼시편이 마찰되도록, 부하평판(440)의 일단에 볼시편(410)이 결합되고 타단에 균형추(420)가 결합된 볼시편 지지대(400)와;상기 볼시편 지지대(400)를 구성하는 부하평판(440)의 중심측을 결합하고, 상기 볼시편 지지대(400)를 정밀하게 하강시켜 평판시편 지지대(230)에 고정시키도록 하며, 상기 부하평판의 유동에 따라서 회전력이 발생하는 제 2 보이스 코일 모터(340)와;상기 제 2 보이스 코일모터(340)를 중앙에 결합하는 일측이 개구된 사각판 형태이고 제 2 보이스 코일 모터(340)의 회전에 상응하여 일정각도로 회전하는 회전판(320)과, 영구자석 및 코일로 이루어지되 코일은 상기 회전판(320)의 일단에 배치하여 상기 회전판(320)의 유동에 따라 이와 동시에 회전하는 코일의 자장을 체크하여 회전판의 유동을 감지하고 또한 코일에 적당한 전류를 공급하여 영구자석과의 자기력 접촉을 이용하여 상기 회전판(320)의 움직임을 제어하는 코일모터(310)를 포함하는 회전판 제어부(300)와;일측이 상기 제 2 고정기둥(120)의 상단에 결합고정되고, 타단이 볼시편 지지대에 접속되어, 스텝모터(520)의 회동에 의하여 상기 볼시편 지지대(400)의 움직임을 제어하여 볼시편 지지대(400)에 부착된 볼시편(410)이 평판시편 지지대(230)에 접촉되도록 하는 볼시편 제어부(500)와;상기 회전판(320)의 일단에 설치되는 반사거울(380)에 광원을 빛추어 회전판의 회전정도를 파악하여 계측하고, 이에 대한 데이터를 회전판 제어부(300)에 제공하여 회전판(320)을 원위치 시키도록 유도하는 제어 계측부(600)을 포함하여 이루어짐이 특징이다.

여기서, 상기 구동부(200)는, 각각 한쌍의 상기 제 1 고정기둥(110)과 상기 제 2 고정기둥(120)의 일측에 수평방향으로 고정 결합되는 소정길이의 스테인 리스관(210)과; 상기 스테인 리스관(240)의 일단에 결합되어 권선(220a)에 인가되는 전류와 영구자석(220b) 사이의 상호작용으로 힘을 발생하는 제 1 보이스 코일모터 (220)와; 상기 스테인 리스관(210)에 관통 장착되어 고정판(240a)을 고정하는 니들 지지대(240)와; 상기 스테인 리스관(210)의 타단에 결합되어 상기 볼시편(410)에 의해 상기 평판시편(430)이 마찰 및 마멸되도록 수행하는 평판 시편지지대(230)를 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 평판시편 지지대(230)는 평판시편 홀더(230a)에 평판시편(430)을 끼운 후, 평판시편 고정나사(230b) 및 평판시편 홀더 조절나사(230c)를 조절하여 상기 볼시편(410)과의 접촉위치가 조절되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 회전판 위치제어부(300)는 상기 베이스(130) 및 상단지지부 (370)에 강선(350)을 연결하여 소정장력이 유지되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 강선(350)의 일단은 상기 베이스(130)의 내부에 내장된 평판스프링(330)에 연결되고, 타단은 상기 상단 지지부(370)에 결합된 조절나사(360)에 연결되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 제어 계측부(600)는, 상기 코일모터(310)의 하단에 수직 결합된 상기 회전판(320)의 일측에 부착된 반사용 거울(380)에 광원을 빛추어 반사되는 광원을 측정하는 광센서부(610)와; 상기 회전판(320)의 회전각을 통한 평판시편 (430)의 마찰력을 측정하는 동시에, 상기 회전판(320)이 기준위치로 되돌아 오도록 제어하는 회로부(620)를 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 볼시편 제어부(500)는, 상기 제 2 고정기둥(120)의 상단에 결합 고정되는 고정 하우징(510)과; 상기 고정 하우징(510)의 일단에 장착되어 구동되는 스탭모터(520)와; 상기 스탭모터(520)의 하단에 수직 결합되어 수평 회전하는 스크류축(530)과; 상기 스크류축(530)의 일단과 결합되어 수평 회전운동을 직선 왕복운동으로 변환하여, 상기 볼시편 지지대(400)의 움직임을 유도하는 가이드(540)를 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 볼시편 지지대는 상기 평판시편(430)을 마찰 및 마멸하는 볼시편(410)이 부하평판(440)의 일단에 결합되고, 상기 부하평판(440)의 타단에 균형추 (420)가 결합되어 상기 볼시편(410)과의 균형을 유지하는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 볼시편 제어부(500)는 상기 제어 계측부(600)의 회로부(620)와 전기적으로 연결되어, 상기 볼시편 지지대(400)의 움직임을 제어하는 것이 가장 바람직하다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로 부터 더욱 분명해질 것이다.

도 1a는 본 발명에 따른 평판시편을 마찰 및 마멸하기 위한 미세 실험장치를 나타내는 사시도,

도 1b는 본 발명에 따른 평판시편을 마찰 및 마멸하기 위한 미세 실험장치를 나타내는 구성도,

도 1c는 본 발명에 따른 평판시편을 마찰 및 마멸하기 위한 미세 실험장치를 나타내는 부분절개도,

도 2a는 도 1a에 도시된 제 1 보이스 코일모터를 나타내는 구성도,

도 2b는 도 2a에 도시된 제 1 보이스 코일모터를 나타내는 작동개념도,

도 2c는 도 2a에 도시된 제 1 보이스 코일모터를 나타내는 작동개념도,

도 3은 도 2a에 도시된 제 1 보이스 코일모터의 제어회로를 나타내는 회로도,

도 4는 도 1a에 도시된 구동부를 나타내는 구성도,

도 5는 도 4에 도시된 니들 지지대를 나타내는 부분단면도,

도 6a는 도 1a에 도시된 볼시편 지지대를 나타내는 정면도,

도 6b는 도 1a에 도시된 볼시편 지지대를 나타내는 저면도,

도 7은 도 1a에 도시된 광센서부를 나타내는 작동개념도.도 8은 본 발명의 회전판과 제 2 보이스 코일모터 및 부하평판과의 결합관계를 상세히 나타낸 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 고정부 110: 제 1 고정기둥

120: 제 2 고정기둥 130: 베이스

200: 구동부 210: 스테인 리스관

220: 제 1 보이스 코일모터 220a: 권선

220b: 영구자석 220c: 알루미늄 프레임

220d: 알루미늄 코어 220e: 자기장 센서

220f: 자기장 가이드 220g: 증폭기

220h: 디지털 신호발생기 230: 평판시편 지지대

230a: 평판시편 홀더 230b: 평판시편 고정나사

230c: 평판시편 홀더 조절나사 230d: 평판시편 홀더 장착부

240: 니들 지지대 240a: 고정판

240b: 알루미늄 베이스 240c: 니들

240d: 지지대 240e: 스프링 지지판

240f: 스프링 300: 회전판 위치제어부

310: 코일모터 320: 회전판

330: 평판스프링 340: 제 2 보이스 코일모터

350: 강선 360: 조절나사

370: 상단지지부 380: 반사용 거울

400: 볼시편 지지대 400a: 고정지지대

400b: 고정니들 400c: 강철링

400d: 원형 영구자석 400e: 권선프레임

400f: 볼시편 홀더 장착부 400g: 볼시편 홀더

410: 볼시편 420: 균형추

430: 평판시편 440: 부하평판

500: 볼시편 제어부 510: 고정 하우징

520: 스탭모터 530: 스크류축

540: 가이드 600: 제어 계측부

610: 광센서부 620: 회로부

700: 전원부

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거 상세히 설명하기로 한다.

도 1a는 본 발명에 따른 평판시편을 마찰 및 마멸하기 위한 미세 실험장치를 나타내는 사시도이고, 도 1b는 본 발명에 따른 평판시편을 마찰 및 마멸하기 위한 미세 실험장치를 나타내는 구성도이고, 도 1c는 본 발명에 따른 평판시편을 마찰 및 마멸하기 위한 미세 실험장치를 나타내는 부분절개도이고, 도 8은 본 발명의 회전판과 제 2 보이스 코일모터 및 부하평판과의 결합관계를 상세히 나타낸 도면이다.

도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 8에 도시된 바와 같이, 볼시편(410)에 접촉되는 평판시편(430) 사이에 왕복 마찰을 발생시킴과 동시에 회전판 위치제어부(300)를 이용하여, 상기 평판시편(430)의 마찰 및 마멸을 측정하기 위한 본 발명은 고정부(100), 구동부 (200), 회전판 위치제어부(300), 볼시편 지지대(400), 볼시편 제어부(500), 제어 계측부(600) 및 전원부(700)로 구성된다.

여기서, 상기 고정부(100)는 소정면적의 베이스(130) 일면에 각각 한쌍의 제 1 고정기둥(110)과 제 2 고정기둥(120)이 서로 길이가 다르게 수직방향으로 세워지며, 상기 제 1 고정기둥(110)과 상기 제 2 고정기둥(120)의 일측에 상기 구동부 (200)가 결합된다.

상기 구동부(200)는 상기 제 1 고정기둥(110)과 상기 제 2 고정기둥(120)의 일측에 수평방향으로 스테인 리스관(210)이 결합되고, 상기 스테인 리스관(210)의 일단에는 제 1 보이스 코일모터(220)가 결합된다.

그리고, 상기 스테인 리스관(210)을 관통 장착되어 고정판(240a)의 고정을 지지하는 니들 지지대(240)와, 상기 스테인 리스관(210)의 타단에 장착되어 상기 볼시편(410)에 의해 상기 평판시편(430)이 마찰 및 마멸되도록 수행하는 평판시편 지지대(230)로 구성된다.

이는, 상기 스테인 리스관(210) 일단에 설치된 상기 제 1 보이스 코일모터 (220)의 동작으로 권선(220a)이 장착된 알루미늄 프레임(220c)이 좌우방향으로 왕복회전운동을 하고, 상기 알루미늄 프레임(220c)이 연결된 상기 스테인 리스관(210)이 회전왕복운동을 하며, 타단의 평판시편 지지대(230)가 수평회전 왕복운동을 하여, 상기 평판시편 지지대(230)에 장착된 평판시편(430)이 상기 볼시편(410)에 의해 마찰 및 마멸된다.

여기서, 상기 제 1 보이스 코일모터(220)는 권선(220a)에 인가되는 전류와 영구자석(220b) 사이의 상호작용에 의해 힘을 발생시켜, 상기 평판시편 지지대 (230)가 수평회전 왕복운동되도록 하는 것이다.

상기 회전판 위치제어부(300)는 코일모터(310)의 하단에 회전판(320)이 결합되고, 한쌍의 상기 제 2 고정기둥(120) 상단에 설치된 상단지지부(370)와 상기 베이스(130)의 내부에 내장된 평판스프링(330)에 강선(350)이 연결되어 소정장력이 유지된다.

상기 볼시편 지지대(400)는 상기 회전판(320)에 수평 결합되며, 일단에 상기 평판시편(430)을 마찰 및 마멸하는 볼시편(410)과, 상기 볼시편(410)과의 균형을 유지하는 균형추(420)가 타단에 결합된다.

상기 볼시편 제어부(500)는 한쌍의 제 2 고정기둥(120)의 일측에 결합 고정되어 상기 볼시편 지지대(400)의 움직임을 제어하는 것으로써, 상기 제 2 고정기둥(120)의 상단에 고정 하우징(510)이 결합 고정되고, 상기 고정 하우징 (510)의 일단에 스탭모터(520)가 장착되어 구동된다.

또한, 상기 스탭모터(520)의 하단에 스크류축(530)이 수직 결합되어 수평 회전되고, 상기 스크류축(530)의 일단에 가이드(540)가 결합되어 직선 왕복운동으로 상기 볼시편 지지대(400)의 움직임을 유도하는 가이드(540)로 구성된다.

상기 제어 계측부(600)는 상기 고정부(100)의 상단에 설치되어 상기 회전판 (320)에 광원을 빛추어 상기 평판시편(430)의 마찰력을 측정하는 것으로써, 상기 코일모터(310)의 하단에 수직 결합된 상기 회전판(320)에 광원을 빛추어 반사된 광원을 측정하는 광센서부(610)와, 상기 회전판(320)의 회전각을 통한 평판시편(430)의 마찰력을 측정하는 동시에 상기 회전판(320)이 기준위치로 되돌아 오도록 제어신호를 코일모터(310)에 출력하는 회로부(620)로 구성된다.상기 코일모터(310)는 코일과 영구자석으로 이루어져 있으며, 상기 회전자(320)의 유동으로 인한 자기력을 센싱하여 회전자(320)의 회전정도를 알 수 있으며, 역으로 상기 코일에 적당한 전류를 가하여 회전자(320)를 필요한 중심위치로 이동시킬수도 있다.상기 코일모터(310)를 구성하는 코일은 회전자에 결합되고, 상기 코일과 일정한 간격을 두고 영구자석을 설치하여 이루어진다.

상기 전원부(700)는 베이스(130)의 일면에 설치되어 구동부(200)와 회전판 위치제어부(300), 제어 계측부(600)가 운용될 수 있도록 전력을 공급할 수 있는 것이다.

상기에서 설명한 회전판 위치제어부(300)를 상세히 살펴보면, 상기 회전판 (320)의 중앙에 제 2 보이스 코일모터(340)가 결합되고, 상기 회전판(320)의 움직임을 제어하는 코일모터(310)가 장착되며, 상기 회전판(320)의 상하단부 양 끝에 강선(350)이 연결된다.

여기서, 상기 각각의 강선(350)은 한 쌍의 조절나사(360)에 의하여 베이스 (130)와 상단지지부(370)에 연결되며, 상기 베이스(130)의 내부에 설치된 평판스프링(330)에 의해 상기 강선(350)의 장력이 유지된다.

이에 따라, 상기 볼시편(410)과 평판시편(430) 사이에 마찰력이 발생되면 볼시편 지지대(400)를 통해 마찰력이 제 2 보이스 코일모터(340) 및 회전판(320)으로 전달되어 회전하게 된다. 이때, 회전판 위치제어부(300)는 상기 회전판(320)의 움직임을 제어한다.

즉, 상기 볼시편 지지대(400)는 권선프레임(400e)에 전류를 인가하면, 원형 영구자석(400d)과의 상호작용으로 상기 권선프레임(400e)에 힘이 가해짐으로써 상기 제 2 보이스 코일모터(340)가 회전되고 이에 상승하여 회전판(320)이 회전된다.

또한, 상기 볼시편 제어부(500)는 스탭모터(520), 스크류축(530), 운동전달용 가이드(540), 그리고 고정부(100)로 구성되어, 상기 스탭모터(520)를 구동하면 스크류축(530)이 회전하고 이 회전운동이 운동전달용 가이드(540)를 통과하면서 직선운동으로 변환된다.

결국, 상기 가이드(540)는 하중을 받는 볼시편 지지대(400)의 움직임을 제어하여, 볼시편(410)과 평판시편(430)이 안전하게 접촉할 수 있도록 안내하고 외부요인에 의하여 볼시편 지지대(400)가 충격받지 않도록 보호한다.

따라서, 본 발명은 상기 볼시편(410)에 접촉된 평판시편(430)을 마찰 및 마멸하는 동시에 레이저 광원을 통해 마찰 및 마멸을 실시간으로 측정하여 분석할 수 있는 것으로써, 하중과 왕복행정의 분해능이 각각 0.01N, 0.1㎛ 이하의 고정밀제어가 가능한 것이다.본원발명의 동작을 정리하면 다음과 같다.먼저, 볼시편(410)이 결합된 부하평판(440)을 스탭 모터(520)와 스크류 축(530) 및 가이드(540)를 움직여 일지점까지 구동함으로써 볼시편(410)을 필요한 지점에 위치시킨다.이후 상기 볼시편(410)을 마찰시키기 위해서 평판시편 지지대(230)를 볼시편(410)에 맞댄 상태에서 이동시켜야 하는바, 이를 위해서 제 1 보이스코일 모터(220)를 작동시키게 되며, 이에 따라 평판시판 지지대(230)가 니들 지지대(240)를 힌지점으로하여 수평회동운동을 하게 된다.그리고, 상기 볼시편(410)과 평판지편 지지대(230)가 마찰 또는 마멸시키게 되면, 볼시편 지지대(400)를 구성하는 부하평판(440)이 유동되어 제 2 보이스 코일 모터(340)가 유동되고, 상기 제 2 보이스 코일 모터(340)와 결합된 회전판(320)이 이에 상응하여 회전하며, 상기 회전판(320)의 유동각도를 코일모터(310)로 파악하여 볼시편(410)의 마찰 및 마멸정도를 알 수 있게 된다.상기에서 제 1 보이스 코일모터(220)는 회전왕복운동을 하는데 이용되고, 코일모터(310)는 자기력을 감지하는 동시에 회전왕복운동을 하는데 이용되며, 제 2 보이스 코일모터(340)는 회전지지작용을 하는데 사용된다.즉, 제 1 보이스 코일모터(220)와, 코일모터(310), 제 2 보이스 코일모터(340)는 모두 영구자석과 권선프레임(코일)을 구성요소로 하여 상기 권선프레임(코일)에 작용하는 자기력과 자석에서 발산되는 자기력을 이용하여 연결매체를 제어하거나 연결매체의 유동을 감지하는 역할을 할 수 있으며, 본원발명에서는 제 1 보이스 코일모터(220)는 평판시편 지지대(230)를 유동시키는 작용을 하고, 코일모터(310)는 회전판(320)의 유동으로부터 전달되는 자기력을 체크하여 회전판의 움직임 각도를 계측하고 이와 더불어 권선프레임(코일)에 적당한 자기력을 제공하여 회전판을 원위치 시키는 작용을 하며, 제 2 보이스 코일모터(340)는 부하평판(440)이 적당한 하중으로 평판시편 지지대(230)를 누를 수 있도록 권선프레임에 전기적 작용을 하는 역할을 하는 것이다.또한, 회전판(320) 일단에 반사거울(380)을 부착하여 회전판(320)의 움직인 각도를 레이저광원으로 정확하게 알아내어 이를 회전판 위치제어부(300)에 출력하여 회전판(320)을 원위치 시키도록 하며, 상기에서 회전판(320)을 사용하는 이유는 볼시편(410)의 움직임을 크게 변환시켜 보다 정확하게 볼시편(410)의 마찰정도를 알아 낼 수 있도록 하기 위함입니다.이하에서 상세도면을 통해 본원발명의 구성을 구체적으로 알아보기로 한다.

도 2a는 도 1a에 도시된 보이스 코일모터를 나타내는 구성도이고, 도 2b는 도 2a에 도시된 보이스 코일모터를 나타내는 작동개념도이고, 도 2c는 도 2a에 도시된 보이스 코일모터를 나타내는 작동개념도이다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 제 1 보이스 코일모터(220)는 영구자석(220b), 평판시편 지지대(230)에 연결된 알루미늄 프레임(220c), 상기 프레임(220c) 안 쪽에 파인 홈 속에 접착제로 고정된 알루미늄 코어(220d), 상기 알루미늄 코어(220d) 외곽에 파인 홈을 따라 감겨 있는 권선(220a), 상기 알루미늄 코어(220d) 안 쪽의 홈에 접착제로 고정시킨 자기장 센서(220e), 그리고 자기장 가이드(220f)로 구성된다.

여기서, 상기 권선(220a)에 전류가 흐르면 영구자석(220b)이 형성하는 자기장과의 상호작용으로 플레밍의 오른손법칙에 따라 권선(220a)에 힘이 작용함으로써, 알루미늄 프레임(220c)이 움직이게 되고 알루미늄 프레임(220c)에 연결된 평판시편 지지대(230)가 왕복운동을 일으키게 된다.

그리고, 상기 자기장 센서(220e)는 자기장에 수직한 방향으로 센서가 위치하는 곳의 자기장 세기의 변화를 감지하고 이에 비례하는 신호를 내보낸다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 자기장 가이드(220f)는 영구자석(220b)에서 발생되는 자기장을 전달함과 동시에 외부로 확산되는 것을 막아 폐쇄된 자기장을 형성하는 역할을 한다.

도 2c에 도시된 바와 같이, 자기장의 세기변화가 선형적으로 나타나는 영역 II에서 자기장 센서(220e)로부터 자력변화 신호를 취득하여 알루미늄 프레임(220c)의 위치를 파악하고 그 움직임을 제어함으로써, 알루미늄 프레임(220c)에 연결된 평판시편 지지대(230)의 왕복운동을 조절한다.

상기 권선(220a)이 장착된 알루미늄 프레임(220c)은 최대 구동력이 작용하는 영역 I사이를 왕복하며 왕복행정의 변위제어 분해능은 약 0.05um이다.

따라서, 상기 제 1 보이스 코일모터(220)는 권선(220a)에 전류를 공급하여 구동되며, 평판시편 지지대(230)의 수평 왕복행정을 연속적으로 미세하게 조절할 수 있다. 또한, 구동소음이 발생하지 않는 매끄러운 구동이 가능할 뿐만 아니라, 발열을 극소화할 수 있기 때문에 실시간으로 평판시편(430)을 마찰 및 마멸을 할 수 있는 것이다.

도 3은 도 2a에 도시된 보이스 코일모터의 제어회로를 나타내는 회로도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 자기장 센서(220e)와 권선(220a)을 이용한 폐쇄형 궤환회로(Closed-Loop Feedback Circuit)로 평판시편(430)의 왕복행정 S와 이동속도 U를 정확하게 제어할 수 있다.

그리고, 평판형 제 1 보이스 코일모터(220)의 운동제어 회로는 영구자석 (220b), 권선(220a), 자기장 센서(220e), 브릿지형 증폭기(220g), 그리고 디지털 신호발생기(220h)로 구성되며 평판시편(430)의 왕복행정 S와 이동속도 U는 디지털 신호발생기(220h)에 입력된다.

도 4는 도 1a에 도시된 구동부를 나타내는 구성도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 한쌍의 스테인 리스관(210)의 일단에 평판시편 지지대(230)가 결합되고 타단에 제 1 보이스 코일모터(220)가 결합된다. 여기서, 상기 평판시편 지지대(230)는 평판시편 홀더(230a), 평판시편(430), 평판시편 고정나사(230b), 평판시편 홀더 조절나사(230c), 그리고 평판시편 홀더 장착부(230d)로 구성된다.

상기 평판시편(430)은 평판시편 홀더(230a)에 끼운 후 평판시편 고정나사 (230b)를 이용하여 고정한다. 그리고, 평판시편 홀더 장착부(230d)는 스틸볼(Steel Ball)과 평판시편 홀더(230a) 전체를 고정함과 동시에, 상기 평판시편 홀더 조절나사(230c)를 이용하여 평판시편 홀더(230a)를 이동시킨다.

이에 따라, 상기 평판시편(430)이 볼시편(410)과 접촉하는 위치를 조절할 수 있으므로, 한 개의 평판시편(430)을 이용하여 여러 번의 마찰 및 마멸을 수행할 수 있다.

이러한, 평판시편 지지대(230), 제 1 보이스 코일모터(220)의 알루미늄 프레임(220c), 스테인 리스관(210)으로 구성된 상기 구동부(200)는 고정판(240a)에 장착된 니들 지지대(240)를 통하여 고정부(100)와 연결된다.

즉, 상기 구동부(200)는 제 1 고정기둥(110)과 제 2 고정기둥(120)의 일단에 결합 고정되어 베이스(130)로부터 소정간격 만큼 이격되도록 한다.

도 5는 도 4에 도시된 니들 지지대를 나타내는 부분단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 니들 지지대(240)는 알루미늄 베이스(240b), 위치조절이 가능한 열처리된 강재질의 니들(240c), 열처리된 지지대(240d), 스프링(240f), 그리고 스프링 지지판(240e)으로 구성된다.

여기서, 상기 니들 지지대(240)는 스프링 지지판(240e)과 고정판(240a)을 이어주는 탄성이 강한 스프링(240f)에 의해 상기 고정판(240a)에 고정되며, 끝이 뾰족한 니들(240c)이 지지대(240d) 안의 원추형 홈에 끼워진다.

상기 제 1 보이스 코일모터(220)에서 발생된 힘에 의해 구동부(200) 전체가 왕복운동을 하게 되면, 상기 니들 지지대(240)는 힌지(Hinge) 역할을 하여 왕복운동의 중심축을 형성한다. 미끄럼 없이 움직임을 안내하는 상기 니들 지지대(240)는 니들(240c)과 지지대(240d) 사이에 구름마찰(Rolling Friction)을 일으킨다.

이때, 발생되는 마찰력과 운동 전달오차가 매우 작기 때문에 미세한 힘으로 구동되는 왕복운동을 동력손실 없이 정확하게 전달할 수 있다. 그리고, 최소 하중값은 니들(240c)과 니들 지지대(240)의 마찰특성 등에 의하여 결정되며, 본 발명의 마찰 및 마멸을 하기 위한 하중분해능은 약 3uN(0.3mg)이다.

도 6a는 도 1a에 도시된 볼시편 지지대를 나타내는 정면도이고, 도 6b는 도 1a에 도시된 볼시편 지지대를 나타내는 저면도이다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 원형 영구자석(400d), 강철링(400c), 권선이 감겨있는 권선프레임(400e), 열처리된 고정니들(400b), 구리(Copper) 재질의 고정지지대(400a), 부하평판(440), 볼시편(410) 및 균형추(420)로 구성된다.

여기서, 상기 권선프레임(400e)의 권선에 전류를 공급하면 원형 영구자석 (400d)이 형성하는 자기장과의 상호작용에 의하여 힘(F)이 발생하는데, 이 힘(F)은 부하평판(440)에 전달되어 볼시편(410)과 평판시편(430) 사이에 하중을 가하게 된다.

이때, 원형 영구자석(400d)은 강철링(400c)으로 감싸져 모든 반경방향에서 권선에 수직방향으로 일정한 크기의 자기장이 형성되기 때문에, 동일한 전류인 경우 권선프레임(400e)의 원주방향 위치에 상관없이 작용하중은 항상 일정하게 된다.

상기 부하평판(440)은 권선프레임(400e) 외곽부에 연결되어 있고 한 쪽에는 볼시편 홀더 장착부(400f)가 마련되고 반대편에는 균형추(420)가 장착된다. 두께가 매우 얇은 금속판재를 이용하여 볼시편 홀더(400g)를 제작한 후, 상기 볼시편 홀더 (400g)에 볼시편(410)을 압입하거나 접합한다. 그리고, 상기 볼시편 홀더 장착부 (400f)에 볼시편(410)이 압입 및 접합된 상기 볼시편 홀더(400g)를 끼워 넣는다.

이러한, 상기 볼시편(410)은 교체가 용이할 뿐만 아니라 자체중량을 줄일 수 있어 실험장치의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 열처리된 고정니들(400b)과 구리로 제작된 고정지지대(400a)는 마찰손실이 거의 없을 뿐만 아니라, 움직임에 따른 오차가 매우 작기 때문에 원형 영구자석(400d)과 권선프레임(400e)을 이용하여 발생시킨 초저하중을 전달하는데 적합하다.

한편, 상기 고정지지대(400a)를 통해 권선프레임(400e)에 감긴 권선에 전류를 공급하게 되며, 상기 권선프레임(400e)의 권선에 공급되는 전류를 조절하여 작용하중을 인가하기 전에 부하평판(440)이 수평을 유지할 수 있도록 제어할 수 있어, 상기 볼시편(410)의 하중이 변화하여도 작용하중을 정밀하게 조절할 수 있다.

도 7은 도 1a에 도시된 광센서부를 나타내는 작동개념도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 광센서부(610)는 레이저 광원을 회전판(320)에 부착된 반사용 거울 (380)에 빛추어 반사된 광원으로 상기 회전판(320)의 위치정보를 알아낸다.

그리고, 회전판 위치제어부(300)는 회로부(620)에 연결되어 평판시편(430)을 마찰 및 마멸하는 동안 회전판(320)의 회전각 크기를 검출하고, 이 값으로부터 마찰력을 측정함과 동시에 회전판(320)이 기준위치로 되돌아 오도록 제어한다.

즉, 상기 광센서부(610)에서 레이저 광원이 회전되는 상기 회전판(320)으로 광원을 방출시키면, 이에 반사되는 광원의 반사 검출위치가 바뀌게 되므로, 상기 광센서부(610)에서 출력된 신호값을 이용하여 회전판(320)의 위치를 알아낸다.

그리고, 회전판 위치제어부(300)에 공급하는 전류값의 크기와 전류가 흐르는 방향을 제어함으로써, 평판시편(430)에 발생된 마찰력에 의해 회전판(320)이 회전된 만큼 거꾸로 회전시켜 기준위치를 유지하게 한다.

이때, 전류의 크기와 방향은 볼시편(410)과 평판시편(430) 사이의 마찰력에 비례하여 나타나므로, 이 값을 통하여 평판시편(430)의 마찰력에 관한 자료를 취득할 수 있다.

한편, 컴퓨터에 탑재된 실험장치제어용 S/W를 이용하면 실험자료를 취득함과 동시에 평판시편(430)의 U(이동속도)와 S(왕복행정), 그리고 시편 사이에 작용하는 하중값 등을 설정하고 실험장치를 제어할 수 있다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 평판시편을 마찰 및 마멸하기 위한 미세 실험장치에 의하면, 제 1 보이스 코일모터에 의해 평판시편 지지대가 왕복 운동하여, 평판시편의 마찰 및 마멸을 수행함과 동시에 상기 평판시편의 특성을 측정할 수 있다.

이러한, 본 발명에 의한 평판시편을 마찰 및 마멸하기 위한 미세 실험장치는 하중범위가 약 10uN~0.01N, 최대 왕복 행정 3mm, 그리고 최대 왕복속도는 1mm/s로서 하중과 왕복행정의 분해능이 각각 3uN, 0.05㎛ 이하로서 고정밀제어가 가능한 특성을 갖는다.

또한, 평판시편의 마찰 및 마멸을 분석하기 위한 작용하중의 크기와 왕복주기의 연속적 제어가 가능하며, 구동부가 시편을 실시간으로 마찰 및 마멸할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

비록, 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로 부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.

Claims

소정면적의 베이스(130) 일면에 각각 한쌍의 제 1 고정기둥(110)과 제 2 고정기둥(120)이 수직방향으로 결합된 고정부(100)와;

상기 고정부(100)의 일측에 수평방향으로 스테인 리스관(210)이 고정결합되며, 사기 스테인 리스관(210)의 일단에 결합된 제 1 보이스 코일모터(220)의 동작으로 타단의 평판시편 지지대(230)가 수평회전 왕복운동하는 구동부(200)와;

상기 구동부(200)를 구성하는 평판시편 지지대(230)의 유동에 따라서 볼시편이 마찰되도록, 부하평판(440)의 일단에 볼시편(410)이 결합되고 타단에 균형추(420)가 결합된 볼시편 지지대(400)와;

상기 볼시편 지지대(400)를 구성하는 부하평판(440)의 중심측을 결합하고, 상기 볼시편 지지대(400)를 정밀하게 하강시켜 평판시편 지지대(230)에 고정시키도록 하며, 상기 부하평판의 유동에 따라서 회전력이 발생하는 제 2 보이스 코일 모터(340)와;

상기 제 2 보이스 코일모터(340)를 중앙에 결합하는 일측이 개구된 사각판 형태이고 제 2 보이스 코일 모터(340)의 회전에 상응하여 일정각도로 회전하는 회전판(320)과, 영구자석 및 코일로 이루어지되 코일은 상기 회전판(320)의 일단에 배치하여 상기 회전판(320)의 유동에 따라 이와 동시에 회전하는 코일의 자장을 체크하여 회전판의 유동을 감지하고 또한 코일에 적당한 전류를 공급하여 영구자석과의 자기력 접촉을 이용하여 상기 회전판(320)의 움직임을 제어하는 코일모터(310)를 포함하는 회전판 제어부(300)와;

일측이 상기 제 2 고정기둥(120)의 상단에 결합고정되고, 타단이 볼시편 지지대에 접속되어, 스텝모터(520)의 회동에 의하여 상기 볼시편 지지대(400)의 움직임을 제어하여 볼시편 지지대(400)에 부착된 볼시편(410)이 평판시편 지지대(230)에 접촉되도록 하는 볼시편 제어부(500)와;

상기 회전판(320)의 일단에 설치되는 반사거울(380)에 광원을 빛추어 회전판의 회전정도를 파악하여 계측하고, 이에 대한 데이터를 회전판 제어부(300)에 제공하여 회전판(320)을 원위치 시키도록 유도하는 제어 계측부(600)을 포함하는 것을 특징으로 하는 평판시편을 마찰 및 마멸하기 위한 미세 실험장치.
제 1 항에 있어서, 상기 구동부(200)는,

각각 한쌍의 상기 제 1 고정기둥(110)과 상기 제 2 고정기둥(120)의 일측에 수평방향으로 고정 결합되는 소정길이의 스테인 리스관(210)과;

상기 스테인 리스관(240)의 일단에 결합되어 권선(220a)에 인가되는 전류와 영구자석(220b) 사이의 상호작용으로 힘을 발생하는 제 1 보이스 코일모터(220)와;

상기 스테인 리스관(210)에 관통 장착되어 고정판(240a)을 고정하는 니들 지지대(240)와;

상기 스테인 리스관(210)의 타단에 결합되어 상기 볼시편(410)에 의해 상기 평판시편(430)이 마찰 및 마멸되도록 수행하는 평판 시편지지대(230)를 포함하는 것을 특징으로 하는 평판시편을 마찰 및 마멸하기 위한 미세 실험장치.
제 2 항에 있어서, 상기 평판시편 지지대(230)는 평판시편 홀더(230a)에 평판시편(430)을 끼운 후, 평판시편 고정나사(230b) 및 평판시편 홀더 조절나사 (230c)를 조절하여 상기 볼시편(410)과의 접촉위치가 조절되는 것을 특징으로 하는 평판시편을 마찰 및 마멸하기 위한 미세 실험장치.
제 1 항에 있어서, 상기 회전판 위치제어부(300)는 상기 베이스(130) 및 상단지지부(370)에 강선(350)을 연결하여 소정장력이 유지되는 것을 특징으로 하는 평판시편을 마찰 및 마멸하기 위한 미세 실험장치.
제 4 항에 있어서, 상기 강선(350)의 일단은 상기 베이스(130)의 내부에 내장된 평판스프링(330)에 연결되고, 타단은 상기 상단 지지부(370)에 결합된 조절나사(360)에 연결되는 것을 특징으로 하는 평판시편을 마찰 및 마멸하기 위한 미세 실험장치.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 볼시편 제어부(500)는,

상기 제 2 고정기둥(120)의 상단에 결합 고정되는 고정 하우징(510)과;

상기 고정 하우징(510)의 일단에 장착되어 구동되는 스탭모터(520)와;

상기 스탭모터(520)의 하단에 수직 결합되어 수평 회전하는 스크류축(530)과;

상기 스크류축(530)의 일단과 결합되어 수평 회전운동을 직선 왕복운동으로 변환하여, 상기 볼시편 지지대(400)의 움직임을 유도하는 가이드(540)를 포함하는 것을 특징으로 하는 평판시편을 마찰 및 마멸하기 위한 미세 실험장치.
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