KR100494655B1 - 이중코일 구조의 힘 보상장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가해지는 하중에 대한 힘 측정 및 보상을 위해 변위 발생방향에 상반되는 방향으로 자력이 발생되도록 철심에 권취되는 제 1코일 및 상기 제 1코일에 비해 상대적으로 적은 권수로 권취되어 기계적 메커니즘 및 측정 보상시의 오차를 극복할 수 있는 제 2코일로 이루어진 이중코일 구조의 힘 보상장치에 관한 것이다. 이 때 비례동작 및 적분동작이 가능한 PI 제어기를 사용하여 제 1코일에는 하중 및 그에 기초한 변위에 비례하는 자력을 발생하도록 전류를 인가하는 오픈 루프의 동작형태를 취하고, 이와 동시에 제 2코일에는 발생오차에 의해 발생하는 전압발생이 상실될 때까지 전류를 인가하는 제어 루드의 동작 형태를 취하는 것을 특징으로 한다.

Description

이중코일 구조의 힘 보상장치{Double Coil Structure Force Compensation Device}

본 발명은 전자력 평형식 저울과 같이 가해지는 하중에 대해 변위되는 지레대를 자력에 의해 평형으로 보상하도록 하는 구조의 보상장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지레대에 대해 영위법(null balance method)을 구현하는 구조에 있어서, 지레대에 자력을 가하는 자력발생모듈의 철심에 서로 다른 권수를 갖는 이중 코일을 권취하고, 이 중 상대적으로 많은 권수의 코일에는 오픈루프(open loop)에 의거 인가되는 전류량을 일정하게 유지시켜 상대적으로 큰 자력의 발현으로 보다 큰 하중에 대한 보상을 실시하고 상대적으로 적은 권수의 코일에는 제어루프(control loop)에 의거 지레대의 변위에 따라 발생되는 광전소자의 전압인가가 상실될 때까지 전류가 인가되도록 제어하는 구조의 이중코일 구조의 힘 보상장치에 관한 것이다.

일반적으로 미소 힘에 대한 측정은 유전공학, 의학, 화학, 생명공학 분야와 같은 첨단산업 분야에 필수적으로 사용되는 분야로서, 특히 높은 측정 분해능 향상기술이 요구되고 있다.

통상적으로 미소 힘에 대한 측정 시스템은 분해능과 측정방법에 따라 로드셀형(load cell type) 방식과 영위법 방식으로 구분될 수 있다.

이 중 로드셀은 외부 하중에 의해 발생한 기계적 변형을 전기적 신호로 변환시켜 측정하는 방법으로 스트레인 게이지를 예로 들 수 있다. 이러한 로드셀형은 온도나 습도 등과 같은 주위 환경에 의해 그 분해능에 있어 편차가 심하므로 전반적으로 분해능이 떨어지는 반면 저가이고 제작이 쉽다.

하지만 자체의 기계적 변형에 의한 비선형성을 갖고, 앞에서 언급된 주위 환경의 변화에 매우 민감하기 때문에, 특성 향상을 통한 높은 정밀도를 얻기에는 그 한계가 있는 문제점이 있다.

이에 반해 상기 영위법은 다소 큰 힘을 측정하는 어렵지만, 높은 분해능을 얻을 수 있기 때문에, 일반적으로 미소 힘 측정에는 상기와 같은 영위법을 이용한다.

이러한 영위법의 원리는 하중 등의 외부 힘이 가해져 메커니즘의 변위가 발생하면 이를 감지하고 이에 기초하여 메커니즘의 변위를 보상할 수 있도록 구비된 자력발생모듈의 코일에 전류를 가함으로써, 변위 발생방향에 대해 상반되는 방향으로 로렌쯔의 힘을 발생시키게 된다.

이 때 상기와 같은 영위법을 이용하여 미소한 하중을 측정하는 장치에 있어서 성능향상을 위해서는 기계적 특성의 매우 중요하다. 그런데 메커니즘에 적용되는 제어성능과 필터 등은 이러한 기계적 시스템의 성능을 저하시킨다.

그런데 종래 영위법을 구현한 측정장치는 받침대에 의해 일지점이 지지되는 지레대, 지레대의 타측 하부에 위치하는 자력발생모듈 및 가해지는 하중에 따라 상기 지레대에 발생되는 변위를 센싱하는 센서 등으로 이루어져 있다.

그리고 상기 센서에서 감지되는 전기신호를 증폭하여 상기 자력발생모듈의 코일에 전류를 인가하는 제어부 등이 구비된다. 이러한 전류인가에 따라 상기 자력발생모듈에서는 자력 즉 로렌쯔의 힘이 발생되어 상기 지레대의 변위를 보상하게 된다.

이에 따라 지레대는 평형을 유지하면 이 때 인가된 전류는 A/D 변환기에서 디지털 신호로 변환되어 표시된다.

그런데 상기 지레대 및 그에 관련된 부속 구성요소들은 기계적인 메커니즘을 취하고 있는 부분으로서, 각 연결지점 등에서는 측정에 따른 이동 및 회전에 의한 오차발생 가능성이 제기될 수 있다.

또한 지레대의 변위 센싱시 센서의 종류나 센싱방식에 따라 다양한 오차를 내포하고 있으며, 시판되는 제품 자체에도 오차범위가 표시되어 있다. 그러다보니 측정에 따른 센싱시 이러한 오차가 측정에 포함되어 그 분해능을 저하시키는 문제점으로 기능한다.

만일 가해지는 하중에 대해 보다 정밀한 측정시 상기와 같은 메커니즘 또는 제어상의 오차들은 매우 큰 오차요인으로 기능하기 때문에, 분해능 향상을 위해서는 반드시 극복해야할 과제이다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1목적은, 측정시 발생하는 메커니즘 및 제어상 오차에 대해 정밀한 보상이 이루어져 기계적 특성을 최대한 활용할 수 있는 이중코일 구조의 힘 보상장치를 제공하는 것이다.

그리고 본 발명의 제 2목적은, 상대적으로 많은 권수로 권취된 제 1코일 및 상대적으로 적은 권수로 권취된 제 2코일로 이루어진 이중코일 구조로 이루어져 제 1코일은 오픈 루프에 의거 가해진 하중에 대한 측정이 구현되고, 이와 동시에 제 2코일은 측정시 발생되는 오차에 의한 미소 변위를 보상할 수 있어 보다 우수한 분해능을 구현할 수 있는 이중코일 구조의 힘 보상장치를 제공하는 것이다.

이러한 본 발명의 목적들은, 하중이 가해지는 중량팬 및 상기 중량팬의 하부에 높이방향을 따라 고정되어 상기 하중의 크기에 따라 하향 이동하는 소정길이의 메인로드;

상기 메인로드에 일단이 링크 연결되며, 하부의 선택되는 어느 한 부위를 지지하는 받침대의 지지방향을 중심으로 상기 메인로드의 이동에 따라 양측이 편심되어 변위되는 금속재질의 지레대;

상기 메인로드가 높이방향에 대해 편심되지 않고 이동되도록 상기 지레대를 사이에 두고 상기 메인로드의 상부 및 하부에 각 일단이 링크 연결되고, 각 타단은 힌지결합으로 고정되어 상기 메인로드의 높이방향을 따라 병렬로 위치하는 제 1지지로드 및 제 2지지로드;

상기 지레대의 변위에 대해 자력에 의한 강제 복원으로 지면에 대해 평형을 유지하도록 상기 지레대의 타측 하부에 위치하는 철심과, 상기 철심의 외주연에 권취되는 제 1코일 및 상기 제 1코일에 대해 상대적으로 적은 권수로 권취되는 제 2코일을 포함하는 구조의 자력발생모듈;

상기 지레대의 타단에 일체로 고정되어 동반 이동하며 하부에 관통 형성된 슬릿이 구비되는 변위팁;

상기 변위팁의 전방에 위치하여 상기 슬릿에 대해 빛을 출사하는 레이져다이오드 및 상기 슬릿을 통해 선택적으로 입사되는 빛의 광량이 전압으로 변환되도록 상기 변위팁의 후방에 2개가 병렬로 위치하는 이분할(bicell) 구조의 포토 다이오드를 포함하는 구조의 위치센싱모듈;

상기 각 포토다이오드로부터 인가되는 전압을 증폭하고 전류로 변환하여 상기 제 1코일에 인가하도록 상기 각 포토다이오드와 전류·전압간 변환이 가능한 구조의 I-V 변환기에 전기적으로 연결되는 증폭기;

상기 I-V 변환기에 전기적으로 연결되어 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기 및 상기 A/D 변환기에 전기적으로 연결되어 송출되는 디지털 신호를 디스플레이하는 표시부;

상기 증폭기 및 I-V 변환기에 전기적으로 연결되어 상기 제 1코일에 인가되는 전류량을 유지시키는 동시에 상기 포토다이오드의 전압발생이 상실될 때까지 전류가 연속적으로 상기 제 2코일에 인가되도록 제어하는 적분항 기능을 포함한 PI 구조의 제어부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중코일 구조의 힘 보상장치에 의하여 달성된다.

여기서 상기 철심의 외주연에 권취된 상기 제 1코일 및 제 2코일은 상기 철심의 높이방향을 따라 순차적으로 위치하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 철심의 외주연에 권취된 상기 제 2코일 및 제 1코일은 상기 철심의 높이방향을 따라 순차적으로 위치하는 것이 바람직히다.

또한 상기 철심의 외주연에 권취된 상기 제 1코일 및 제 2코일은 상기 철심의 외주연에 원주방향을 따라 순차적으로 위치하는 것이 바람직하다.

아울러 상기 철심의 외주연에 권취된 상기 제 2코일 및 제 1코일은 상기 철심의 외주연에 원주방향을 따라 순차적으로 위치하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 철심의 외주연에 권취된 상기 제 1코일 및 제 2코일은 권취방향이 교차 및 겹쳐짐에 따라 서로 혼재되어 위치하는 것이 바람직하다.

또한 상기 레이져 다이오드의 전면에 일정간극을 두고 시준렌즈(collimating lens)가 더 구비되는 것이 바람직하다.

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

다음으로는 본 발명에 따른 이중코일 구조의 힘 보상장치에 관하여 첨부되어진 도면과 더불어 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 힘 보상장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 위치센싱모듈의 센싱동작 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 힘 보상장치의 작동 순서도이다.

도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 보상장치는 제 1코일(32) 및 제 1코일(32)에 비해 상대적으로 권수가 적은 제 2코일(33)로 자력발생모듈(30)을 구성하고, 각 코일(32,33)에 대한 전류인가를 제 1코일(32)은 오픈 루프에 의거 진행하고, 제 2코일(33)은 제어 루프에 의해 진행시키는 것이다.

이에 따라 상부의 중량팬(10)에 가해지는 하중에 따라 변위되는 지레대(20)를 제 1코일(32)에서 발생하는 자력으로 보상한다. 그리고 상기 제 1코일(32)에 인가되는 전류량을 일정하게 유지시킨 채 변위량에 따라 전압을 발생하는 광전소자로부터 상기 발생전압이 상실될 때까지 상기 제 2코일(33)에 연속적으로 전류를 인가하여 미세 자력으로 상기 지레대(20)가 평형에 이르도록 한다.

상기 중량팬(10)의 하부에는 메인로드(10a)가 높이방향을 따라 고정되어 있다. 상기 메인로드(10a)의 측부로 지레대(20)의 일단이 링크 연결되어 있는데, 이 때 지레대(20)의 상하부로 각각 제 1지지로드(11) 및 제 2지지로드(12)가 병렬로 위치하면서 상기 메인로드(10a)에 연결되어 있다.

이러한 상기 제 1지지로드(11) 및 제 2지지로드(12)의 일단은 상기 메인로드(10a)에 링크 연결되고, 각 타단은 힌지결합되어 고정된다. 만일 상기 메인로드(10a)가 하향 이동하면 상기 각 지지로드(11,12)는 상기 메인로드(10a)가 높이방향에 대해 편심되지 않고 곧바로 내려오도록 지지하게 된다.

아울러 상기 지레대(20)의 일측으로 받침대(20a)가 위치하여 지레대(20)의 일지점을 하부에서 지지한다. 따라서 상기 지레대(20)는 상기 받침대(20a)를 중심으로 양측이 편심되게 이동할 수 있다. 만일 상기 중량팬(10)에 하중이 가해질 경우 메인로드(10a)에 연결된 상기 지레대(20)는 상기 받침대(20a)를 중심으로 타측이 올라가고 일측이 내려가게 된다.

이러한 상기 지레대(20)의 변위를 감지하도록 상기 지레대(20)의 타측에는 위치센싱모듈(40)이 설치되어 있다. 상기 위치센싱모듈(40)은 레이져다이오드(41) 및 포토다이오드(42)로 이루어져 있다. 레이져다이오드(41)에서 빛이 출사되면 상기 포토다이오드(42)에 입사되어 전압을 발생한다. 상기 포토다이오드(42)는 광전소자로서 기능하며, 2개가 높이방향을 따라 소정간극을 두고 병렬로 위치하는 이분할(bicell) 구조이다.

이 때 상기 지레대(20)의 타단에는 변위팁(21)이 일체로 고정된다. 상기 변위팁(21)은 지레대(20)의 타단이 안측으로 파여진 부분에 부착된 판재로서, 하부에는 관통 형성된 슬릿(slit)(21a)이 구비된다.

상기 레이져다이오드(41)는 이러한 상기 변위팁(21)의 전방에 위치하고 상기 포토다이오드(42)는 후방에 위치하여 상기 레이져다이오드(41)로부터 출사되는 빛이 슬릿(21a)을 통해 선택적으로 상기 포토다이오드(42)에 입사된다. 만일 상기 변위팁(21)이 지레대(20)와 더불어 변위되면 이에 따라 상기 레이져다이오드(41)로부터 출사되는 빛은 상기 변위팁(21)에 의해 가려져 있다가 슬릿(21a) 부위가 빛의 출사방향에 위치하면서 상기 포토다이오드(42)에 입사된다.

이 때 상기 레이져다이오드(41)로부터 출사되는 빛이 확산되지 않고 곧바로 직진하도록 상기 레이져다이오드(41)의 정면에 시준렌즈(collimating lens)(43)를 장착하여 사용할 수 있다.

아울러 상기 받침대(20a)의 타측으로 상기 지레대(20)의 하부에는 자력발생모듈(30)이 위치하고 있다. 상기 자력발생모듈(30)은 철심(31) 및 상기 철심(31)에 권취되는 제 1코일(32)과 제 2코일(33)로 이루어진다. 상기 제 1코일(32)은 상기 제 2코일(33)에 비해 상대적으로 권수가 많으며, 각 코일(32,33)은 인가되는 전류에 따라 철심(31)과 더불어 자력을 발생한다. 또한 상기 권취된 각 코일(32,33)은 철심(31)의 높이방향을 따라 위치하는데 제 1코일(32)이 제 2코일(33)에 비해 상대적으로 높게 위치한다.

여기서 상기 지레대(20)는 상기 자력(인력)에 의해 철심(31)쪽으로 이동할 수 있다. 이를 통해 만일 상기 지레대(20)의 타측이 받침대(20a)를 중심으로 위로 이동하여 변위되면, 상기 변위팁(21) 또한 이동하면서 슬릿(21a)을 통해 레이져다이오드(41)의 빛이 포토다이오드(42)로 입사된다.

이 때 상기 포토다이오드(42)에는 증폭기(50)가 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 증폭기(50)에는 전류-전압간 변환이 가능한 구조의 I-V변환기(51)가 전기적으로 연결되어 있다. 그런데 상기 포토다이오드(42)는 광전소자이므로 입사된 빛의 광량에 따라 전압을 발생한다. 그리고 발생된 전압은 상기 증폭기(50)에서 증폭되고 상기 I-V변환기(51)에서 전류로 바뀌어 다시 상기 제 1코일(32)에 인가된다.

이에 따라 발생되는 자력에 의해 상기 지레대(20)는 변위방향에 반대되는 방향으로 이동하게 된다. 만일 이 때 중량팬(10)에 가해진 하중이 약 110g 정도이고, 상기 제 1코일(32)에 의한 자력으로 얻은 힘의 크기가 약 100g 정도일 경우 약 10g 만큼의 오차가 발생된다. 이러한 오차량 만큼 상기 지레대(20)는 아직도 변위되어 있다.

그러면 상기 제 2코일(33)에는 상기 약 10g 정도 만큼의 오차를 극복하기 위해 전류를 인가하는데, 이 때 상기 제 1코일(32)에는 기존에 인가되었던 전류를 일정하게 유지시킨다. 상기 오차의 극복기준은 상기 포토다이오드(42)의 발생전압이 상실되는 때 즉 전압치가 0이 되는 때이며 이때를 영점(null point)라 할 수 있다.

이러한 상기 포토다이오드(42)의 발생전압은 증폭기(50) 및 I-V변환기(51)에 전기적으로 연결된 제어기(60)에서 체크되고, 체크되는 발생전압이 없어질 때까지 상기 제 2코일(33)에 연속적으로 전류를 인가한다.

이 때 상기 제어기(60)에서 채택되고 있는 제어구조는 PI(propotional Integral) 제어기(60)로서, 입력량에 비레하여 출력되는 일종의 비례동작 및 입력량을 적분한 값이 출력되는 일종의 적분동작을 겸비한다.

이에 따라 비례동작은 가해진 하중에 따른 상기 지레대(20)의 변위에 비례하여 해당 전류를 제 1코일(32)에 가해주는 오픈 루프로서 진행된다. 그리고 적분동작은 제 1코일(32)에 상기와 같은 일정한 전류의 인가를 유지시킨 채 상기 제 1코일(32)에 의한 측정 보상시 안고 있는 메커니즘 및 위치센싱모듈(40)에서의 센싱오차 등에 의해 지레대(20)가 미세하게 떨리며 아직 평형상태에 돌입되지 않은 상황에 대처할 수 있다.

즉 포토다이오드(42)로부터 발생하는 전압치가 아직 0에 도달하지 않은 상태에서 이 상태를 극복하여 상기 포토다이오드(42)의 전압발생이 상실될 때까지 상기 제 2코일(33)에 전류를 인가하는 제어 루프로서 진행된다.

이러한 상기 제어기(60)에는 상기 I-V변환기(51)를 통해 A/D변환기(70)가 전기적으로 연결되는데, 상기 I-V변환기(51)에서 발생하는 전류에 관한 아날로그 신호가 디지털 신호로 변환된다. 이 때 상기 A/D변환기(70)에는 7 세그먼트 형태의 표시부(80)가 전기적으로 연결되어 있어 상기 디지털 신호를 숫자 등으로 출력한다.

이 때 출력되는 상기 숫자는 예를 들어 g 단위로 표시되는데, 이는 상기 제 1코일(32) 및 제 2코일(33)에 가해지는 전류값을 자력의 세기 즉 힘의 단위로 환산한 것이다.

상기와 같은 본 발명에 따른 보상장치의 작동 순서는 도 3에서와 같은데, 우선 일정한 하중이 중량팬(10)에 인가되었을 경우 메인로드(10a)가 내려감에 따라 지레대(20)가 변위된다.

이 때 지레대(20)의 변위는 받침대(20a)가 위치하는 수평선을 기준으로 위치센싱모듈(40)이 설치된 타측이 올라가는 + 변위라 할 수 있다.(S1000)

이에 따라 상기 하중이 가해짐에 따라 상기 포토다이오드(42)에서 발생되는 전압은 곧바로 증폭기(50)에서 증폭된 뒤 I-V변환기(51)에서 전류로 변환된다.(S2000)

변환된 전류는 제 1코일(32)에 인가되어 자력이 발생하는데, 이처럼 하중이 가해지면 그 즉시 비례하는 전류값 및 전류인가에 따른 해당 자력으로 출력되는 것은 앞에서 언급된 오픈 루프에 따른 비례동작이라 할 수 있다.(S3000)

이 후 상기 제 1코일(32)에 인가되는 전류량을 일정하게 유지시킨 채 상기 제 2코일(33)에 전류를 인가한다. 이 때 상기 제 2코일(33)에 인가되는 전류는 포토다이오드(42)에서 발생되는 전압이 0이 될때까지 높여주면서 인가하다가 발생전압이 0이 되는 즉시 인가전류량을 유지시킨다.

만일 이 때 상기 중량팬(10)에 가해지는 하중에 다른 하중을 더 가했을 경우에는 지레대(20)가 다시 더 변위되고 포토다이오드(42)에서는 더 큰 전압이 발생되는데, 이 때에는 제 2코일(33)에 인가되는 전류량을 더 높여가다가 발생전압이 0이 되는 순간 인가전류량을 유지시킨다.(S4000)

아울러 이 때 전해지는 제 1코일(32) 및 제 2코일(33)의 전류량이 A/D변환기(70)를 거쳐 디지털신호로 표시부(80)에 송출되면 표시부(80)에서는 중량단위로 환산하여 이를 출력하게 된다.(S5000)

도 4는 본 발명의 제 2실시예에 따른 자력발생모듈의 구성도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 자력발생모듈(30)은 철심(31) 및 상기 철심(31)에 권취되는 제 1코일(32)과 제 2코일(33)로 이루어져 각 코일(32,33)에 전류가 인가될 경우 전자석으로서 기능하는 것이다. 이 때 발생되는 자력은 로렌쯔의 힘으로서 상기 지레대(20)의 변위방향에 반대되는 방향으로 상기 지레대(20)를 끌어당기는데 이용된다.

이러한 상기 제 1코일(32) 및 제 2코일(33)에서 상기 제 1코일(32)은 제 2코일(33)에 비해 상대적으로 더 많은 권수를 갖는다. 아울러 상기 제 1코일(32)은 상기 철심(31)의 높이방향을 따라 상기 제 2코일(33)에 비해 상대적으로 하부에 위치한다.

도 5는 본 발명의 제 3실시예에 따른 자력발생모듈의 구성도이고, 도 6은 본 발명의 제 4실시예에 따른 자력발생모듈의 구성도이다.

도 5에서와 같이, 제 1코일(32)은 제 2코일(33)에 비해 상대적으로 철심(31)의 외주연에 더 가깝도록 권취된다. 그리고 제 2코일(33)은 상기 제 1코일(32)의 외부에 권취된다. 따라서 권취된 각 코일(32,33)에서 상기 제 1코일(32) 및 제 2코일(33)은 철심(31)의 원주방향을 따라 순차적으로 위치하게 된다.

또한 도 6에서는 상기 제 2코일(33)이 철심(31)의 외주연에 먼저 권취되고 제 1코일(32)이 이 후 권취됨으로 제 2코일(33) 및 제 1코일(32)이 철심(31)의 원주방향을 따라 순차적으로 위치하게 된다.

도 7은 본 발명의 제 5실시예에 따른 자력발생모듈의 구성도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 제 1코일(32) 및 제 2코일(33)이 철심(31)의 외주연에 혼재되어 위치하고 있다. 이에 따라 각 코일(32,33)은 서로 교차 또는 겹쳐져 있지만 상기 제 1코일(32)이 상기 제 2코일(33)에 비해 상대적으로 권수가 많다.

이상에서와 같은 본 발명에 따른 이중코일 구조의 힘 보상장치에서, 상기에서 언급된 가해지는 하중의 수치적 크기는 일실시예일 뿐 그에 한정되는 것은 아니고 제 2코일(33)로 극복되는 오차의 범위는 제 2코일(33)에 가해지는 전류값을 장치를 구성하는 구성요소의 규격상 오차범위에 기초하여 미리 설정 사용할 수 있다.

이에 따라 가해지는 하중의 크기가 예를 들어 약 110g 일 경우 제 1코일(32)에는 100g에 해당하는 전류값을 인가하여 자력으로 보상을 실시하고 제 2코일(33)에는 십단위부터 소망하는 소수점 단위까지의 하중을 분리 선택하여 오차극복을 위한 전류인가를 실시함으로써, 해당 자리수까지의 하중 크기에 대한 측정 보상을 실시할 수 있다.

아울러 각 코일(32,33) 별로 선택적으로 전류를 인가하여 가해지는 하중에 대해 측정 및 보상진행을 실시할 수 있음은 물론이다.

또한 표시부(80)에는 A/D변환기(70)에서 송출되는 디지털 신호를 필터링하기 위해 별도의 필터장치가 전기적으로 연결되어 사용할 수 있다.

또한 상기 지레대(20)에서 각 지지로드(11,12)의 개수는 달리하여 사용할 수 있으며, 각 지지로드 중 선택되는 어느 하나를 지레대(20)와 직렬로 연결하는 구조도 본 발명에 포함될 수 있음은 물론이다.

아울러 상기 위치센싱모듈(40)에서 사용되는 레이져다이오드(41) 및 포토다이오드(42) 이외에, 초음파나 적외선을 이용한 위치감지센서를 사용할 수 있다.

이상에서와 같은 본 발명에 따른 이중코일 구조의 힘 보상장치에 의하면, 메커니즘 부분의 우수한 특성에도 불구하고 제어시 발생되는 오차 및 메커니즘 자체의 오차을 극복하여 보다 우수한 분해능을 발현할 수 있는 특징이 있다.

또한 하중을 기준으로 보다 많은 권수의 코일을 사용하고, 오차극복을 위해 보다 적은 권수의 코일을 사용하는 이중구조를 취하여 하중의 측정 및 보상과 더불어 분해능을 향상을 구현할 수 있는 장점이 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 힘 보상장치의 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 위치센싱모듈의 센싱동작 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 힘 보상장치의 작동 순서도,

도 4는 본 발명의 제 2실시예에 따른 자력발생모듈의 구성도,

도 5는 본 발명의 제 3실시예에 따른 자력발생모듈의 구성도,

도 6은 본 발명의 제 4실시예에 따른 자력발생모듈의 구성도,

도 7은 본 발명의 제 5실시예에 따른 자력발생모듈의 구성도이다.

< 도면의 주요부분에 관한 부호의 설명 >

10: 중량팬 10a: 메인로드

11: 제 1지지로드 12: 제 2지지로드

20: 지레대 20a: 받침대

21: 변위팁 21a: 슬릿

30: 자력발생모듈 31: 철심

32: 제 1코일 33: 제 2코일

40: 위치센싱모듈 41: 레이져다이오드

42: 포토다이오드 43: 시준렌즈

50: 증폭기 51: I-V변환기

60: 제어기 70: A/D변환기

80: 표시부

Claims (7)

1. 하중이 가해지는 중량팬(10) 및 상기 중량팬(10)의 하부에 높이방향을 따라 고정되어 상기 하중의 크기에 따라 하향 이동하는 소정길이의 메인로드(10a);

   상기 메인로드(10a)에 일단이 링크 연결되며, 하부의 선택되는 어느 한 부위를 지지하는 받침대(20a)의 지지방향을 중심으로 상기 메인로드(10a)의 이동에 따라 양측이 편심되어 변위되는 금속재질의 지레대(20);

   상기 메인로드(10a)가 높이방향에 대해 편심되지 않고 이동되도록 상기 지레대(20)를 사이에 두고 상기 메인로드(10a)의 상부 및 하부에 각 일단이 링크 연결되고, 각 타단은 힌지결합으로 고정되어 상기 메인로드(10a)의 높이방향을 따라 병렬로 위치하는 제 1지지로드(11) 및 제 2지지로드(12);

   상기 지레대(20)의 변위에 대해 자력에 의한 강제 복원으로 지면에 대해 평형을 유지하도록 상기 지레대(20)의 타측 하부에 위치하는 철심(31)과, 상기 철심(31)의 외주연에 권취되는 제 1코일(32) 및 상기 제 1코일(32)에 대해 상대적으로 적은 권수로 권취되는 제 2코일(33)을 포함하는 구조의 자력발생모듈(30);

   상기 지레대(20)의 타단에 일체로 고정되어 동반 이동하며 하부에 관통 형성된 슬릿(21a)이 구비되는 변위팁(21);

   상기 변위팁(21)의 전방에 위치하여 상기 슬릿(21a)에 대해 빛을 출사하는 레이져다이오드(41) 및 상기 슬릿(21a)을 통해 선택적으로 입사되는 빛의 광량이 전압으로 변환되도록 상기 변위팁(21)의 후방에 2개가 병렬로 위치하는 이분할(bicell) 구조의 포토다이오드(42)를 포함하는 구조의 위치센싱모듈(40);

   상기 각 포토다이오드(42)로부터 인가되는 전압을 증폭하고 전류로 변환하여 상기 제 1코일(32)에 인가하도록 상기 각 포토다이오드(42)와 전류·전압간 변환이 가능한 구조의 I-V변환기(51)에 전기적으로 연결되는 증폭기(50);

   상기 I-V변환기(51)에 전기적으로 연결되어 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D변환기(70) 및 상기 A/D변환기(70)에 전기적으로 연결되어 송출되는 디지털 신호를 디스플레이하는 표시부(80);

   상기 증폭기(50) 및 I-V변환기(51)에 전기적으로 연결되어 상기 제 1코일(32)에 인가되는 전류량을 유지시키는 동시에 상기 포토다이오드(42)의 전압발생이 상실될 때까지 전류가 연속적으로 상기 제 2코일(33)에 인가되도록 제어하는 적분항 기능을 포함한 PI 구조의 제어기(60);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중코일 구조의 힘 보상장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 철심(31)의 외주연에 권취된 상기 제 1코일(32) 및 제 2코일(33)은 상기 철심(31)의 높이방향을 따라 순차적으로 위치하는 것을 특징으로 하는 이중코일 구조의 힘 보상장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 철심(31)의 외주연에 권취된 상기 제 2코일(33) 및 제 1코일(32)은 상기 철심(31)의 높이방향을 따라 순차적으로 위치하는 것을 특징으로 하는 이중코일 구조의 힘 보상장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 철심(31)의 외주연에 권취된 상기 제 1코일(32) 및 제 2코일(33)은 상기 철심(31)의 외주연에 원주방향을 따라 순차적으로 위치하는 것을 특징으로 하는 이중코일 구조의 힘 보상장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 철심(31)의 외주연에 권취된 상기 제 2코일(33) 및 제 1코일(32)은 상기 철심(31)의 외주연에 원주방향을 따라 순차적으로 위치하는 것을 특징으로 하는 이중코일 구조의 힘 보상장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 철심(31)의 외주연에 권취된 상기 제 1코일(32) 및 제 2코일(33)은 권취방향이 교차 및 겹쳐짐에 따라 서로 혼재되어 위치하는 것을 특징으로 하는 이중코일 구조의 힘 보상장치.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 레이져다이오드(41)의 전면에 일정간극을 두고 시준렌즈(collimating lens)(43)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 이중코일 구조의 힘 보상장치.