KR100965386B1 - Micro force sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 미세힘 측정센서는 고정단; 고정단에 일단이 고정되고 상기 고정단으로부터 일방향으로 연장되는 4개의 측정면을 구비하며, 인접한 각 측정면들은 상호 90도로 절곡형성되고, 상기 고정단의 반대방향에 위치한 단부에는 4개의 면들과 수직하게 단부면이 형성된 중공형상의 변형부; 4개의 측정면들의 각 가장자리에서 상기 고정단과 이격형성되는 둘 이상의 노치; 각 가장자리에서 고정단과 동일한 거리에 이격형성된 노치 사이의 측정면 상에 배치되는 스트레인게이지; 및 변형부보다 큰 강성을 가지며, 변형부의 단부면 중앙에 부착되는 접촉팁을 포함하며, 접촉팁의 일 지점에 힘이 작용되는 경우, 작용되는 힘의 크기 및 힘이 작용되는 지점의 위치가 아래 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 한다.Micro force measuring sensor according to the present invention is a fixed end; One end is fixed to the stationary end and has four measurement planes extending in one direction from the stationary end, each adjacent measurement plane is bent at 90 degrees to each other, and at the end opposite to the stationary end is perpendicular to the four planes. Hollow-shaped deformation portion is formed end surface; At least two notches spaced apart from said fixed end at each edge of four measurement surfaces; A strain gauge disposed on the measurement surface between the notches spaced apart at the same distance from the fixed end at each edge; And a contact tip having greater rigidity than the deformation part and attached to the center of the end face of the deformation part. When a force is applied to one point of the contact tip, the magnitude of the applied force and the position of the point at which the force is applied are It is characterized by being calculated by the equation.
힘측정, 미세힘, 변형율, 스트레인집중, 매니플레이터 Force Measurement, Micro Force, Strain, Strain Concentration, Manipulator
Description
본 발명은 초정밀화 및 소형화 동향에 발맞추어, 정확한 접촉력 및 접촉위치를 측정하기 위해 측정 감도 능력을 향상시킨 미세힘측정 센서에 관한 것이다. 본 발명에 따른 미세힘 측정센서는 정밀부품을 조립하거나 정렬하는 과정에 활용되는 매니플레이터, 측정도구 등에 적용할 수 있다.The present invention relates to a micro force measuring sensor with improved measurement sensitivity capability in order to measure accurate contact force and contact position in accordance with the trend of ultra precision and miniaturization. The micro force measuring sensor according to the present invention can be applied to a manipulator, a measuring tool, etc. used in the process of assembling or aligning precision parts.
현재의 초정밀 시장동향에 발맞추어 지속적으로 소형화가 이루어지고 있는 시점에서 보다 정밀하고 정확한 접촉력 및 접촉위치를 측정하기 위해 센서의 능력을 향상시킬 것이 요구되고 있다.In keeping with current ultra-precision market trends, there is a need to improve the sensor's ability to measure more precise and accurate contact force and contact position as it continues to be miniaturized.
초소형 부품들은 복잡한 공정을 거치면서 조립되는데 이는 매우 정밀한 위치의 응답성과 정교한 제어를 필요로 한다. 게다가 손상에 취약한 물체를 조작하는 경우에는 정확한 힘의 측정이 절실히 요구되는 것이다.Subminiature components are assembled through a complex process, which requires highly precise location responsiveness and sophisticated control. In addition, when manipulating vulnerable objects, accurate force measurement is urgently needed.
또한 비전시스템을 사용할 수 없는 환경에서 물체를 원하는 위치상에 위치시키거나 또는 원하는 위치에 물체가 정확히 위치하고 있는지의 확인이 필요할 경우로서, 단지 프로브의 접촉에 의해서만 힘 또는 위치정보를 습득해야 하는 경우에는 힘측정센서가 더욱 민감한 측정 감도를 지닐 것이 요구된다.In addition, when the vision system cannot be used, it is necessary to place the object on the desired position or to check whether the object is correctly positioned at the desired position. When the force or position information is acquired only by contact of the probe, Force measuring sensors are required to have more sensitive measurement sensitivity.
변형율의 측정을 이용한 종래의 힘측정센서는 단순보에 센서를 부착하여 사용하는 것이 있다. 이는 일정지점에서 힘이 작용하는 경우 발생하는 변형량을 센서를 통해 측정하여 작용하는 힘의 크기를 산출하는 것이다.Conventional force measuring sensors using the measurement of the strain may be used by attaching the sensor to a simple beam. This is to calculate the magnitude of the force acting by measuring the amount of deformation generated when the force acts at a certain point through the sensor.
크기가 작은 미세힘을 측정하기 위해서는 단순보의 길이가 길어져야 하며, 두께는 최소화되어야 한다. 그러나 단순보의 길이를 일정수준 이상으로 길게하면 자중에 의한 변형이 발생하여 부정확한 결과값이 산출된다.In order to measure small force, the length of the beam should be long and the thickness should be minimized. However, if the length of the simple beam is longer than a certain level, deformation due to its own weight may occur, resulting in an inaccurate result.
또한 통상의 단순외팔보의 경우 자유단에 힘을 작용할 경우 그 응력과 변화량은 고정단 부근에서 가장 높은 값을 갖게되므로 고정단 부근에 응력과 변화율이 고정단 부근에 집중되게 된다. 따라서 큰 측정값을 얻기 위해서는 변형율 측정센서의 부착 위치는 고정단 부근에 한정되게 된다. 그러나 고정단에 집중된 변형을 근거로 힘을 측정하는 것은 측정범위가 너무 협소해져서 결과값에 대한 신뢰성을 갖기 어렵다.In addition, in the case of the conventional simple cantilever, when the force acts on the free end, the stress and the amount of change have the highest value near the fixed end, so that the stress and the change rate are concentrated near the fixed end. Therefore, in order to obtain a large measurement value, the attachment position of the strain measurement sensor is limited to the vicinity of the fixed end. However, the measurement of force based on the deformation concentrated at the fixed end is too narrow and the reliability of the results is difficult.
본 발명은 상기한 종래의 힘측정센서에서 변형율의 측정을 고정단 부근에 한정하던 방식을 벗어나서 종래 힘측정센서의 구성들의 구조를 변경함으로써 힘 측정의 감도를 향상시키고 외란의 영향을 최소화하도록 하는 미세힘 측정센서를 제공하고자 한다.The present invention is to improve the sensitivity of the force measurement by minimizing the effects of disturbance by changing the structure of the configuration of the conventional force measurement sensor beyond the method of limiting the measurement of the strain in the above-mentioned conventional force measurement sensor near the fixed end To provide a force sensor.
상기한 본 발명의 과제는 고정단과, 상기 고정단에 일단이 고정되며 상기 고정단으로부터 일방향으로 연장되는 측정면을 구비하며 상기 측정면에 하나 이상의 노치가 형성되는 금속플레이트 및 상기 금속플레이트의 상기 측정면 중에서 상기 노치가 형성된 부분에 부착되는 스트레인게이지를 포함하는 미세힘 측정센서에 의해 달성된다.The object of the present invention is a fixed end, and having a measuring surface that is fixed at one end to the fixed end and extends in one direction from the fixed end, the metal plate and the measurement of the metal plate having one or more notches formed on the measuring surface It is achieved by a micro-force measuring sensor comprising a strain gauge attached to a portion of the surface of the notch is formed.
또한 상기 금속플레이트는 상기 노치가 형성된 부분을 제외한 부분 중 어느 일영역에 보강면이 더 형성되는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the metal plate is further formed with a reinforcing surface in any one region except for the portion where the notch is formed.
또한 상기 금속플레이트의 자유단에는 상기 금속플레이트의 폭보다 좁은 폭을 갖고 상기 금속플레이트보다 큰 강성을 갖는 접촉팁이 더 형성되는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that a contact tip having a width narrower than the width of the metal plate and having a rigidity greater than that of the metal plate is further formed at the free end of the metal plate.
또한 상기 고정단과 상기 금속플레이트와 상기 접촉팁을 수용하는 공간이 내부에 형성되고 상기 접촉팁의 앞부분이 외부로 노출되도록 개방부가 형성된 커버를 더 포함하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable to further include a cover formed with an opening formed so that the space for accommodating the fixed end, the metal plate and the contact tip is exposed to the outside of the front of the contact tip.
또한 상기 커버의 개방부의 일측과 상기 접촉팁 사이의 거리는 상기 금속플 레이트의 소성변형이 일어나지 않는 최대처짐값 및 상기 스트레인 게이지의 손상이 발생하지 않는 상기 금속플레이트의 최대처짐값보다 작은 것이 바람직하다.In addition, the distance between one side of the opening of the cover and the contact tip is preferably smaller than the maximum deflection value of the plastic deformation of the metal plate does not occur and the maximum deflection value of the metal plate does not cause damage to the strain gauge.
또한 상기 고정단은 고무판이며, 상기 고무판이 상기 커버에 고정되는 것이 바람직하다.In addition, the fixed end is a rubber plate, it is preferable that the rubber plate is fixed to the cover.
또한 상기 금속플레이트의 상기 측정면에는 상기 일방향으로 서로 이격된 2개의 노치가 형성되는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that two notches spaced apart from each other in the one direction are formed on the measurement surface of the metal plate.
상기한 본 발명의 과제는 고정단과, 상기 고정단에 일단이 고정되고 상기 고정단으로부터 일방향으로 연장되며 인접한 각각이 소정의 각도를 이루도록 상호연결된 복수의 측정면을 구비하며 상기 각각의 측정면의 양측에 노치가 형성되는 변형부와, 상기 변형부의 상기 복수의 측정면 중 2개 이상의 측정면에 상기 노치에 인접하게 부착되는 스트레인게이지 및 상기 변형부의 일단의 반대방향인 자유단에 고정되며 상기 변형부보다 큰 강성을 갖는 접촉팁을 포함하는 미세힘 측정센서에 의해서도 달성된다.The object of the present invention described above has a fixed end and a plurality of measuring surfaces having one end fixed to the fixed end and extending in one direction from the fixed end and interconnected to each other to form a predetermined angle, both sides of each measuring surface A deformation portion formed with a notch in the strain portion, a strain gauge attached adjacent to the notch to two or more measurement surfaces of the plurality of measurement surfaces of the deformation portion, and fixed to a free end opposite to one end of the deformation portion; It is also achieved by a micro force measuring sensor comprising a contact tip with greater stiffness.
본 발명에 따른 미세힘 측정센서는 금속플레이트의 변형율 측정지점에 노치를 형성함으로써 노지형성지점에 변형이 집중되도록 하여 큰 변형율 측정값을 얻도록 함으로써 힘의 크기 및 힘의 작용지점을 찾아내는데 정확도를 높이는 효과가 있다.The micro-force measuring sensor according to the present invention forms a notch at the strain measuring point of the metal plate so that the deformation is concentrated at the no-forming point so that a large strain measurement value is obtained to find the magnitude of the force and the point of action of the force. The height is effective.
또한 노치지점 이외의 부분에 강성을 증가시킴으로써 외란에 의한 오차발생을 최소화하고 변형이 노치지점에 집중되는 효과를 가져온다.In addition, by increasing the rigidity in parts other than the notch point, it minimizes the occurrence of errors due to disturbance and brings the effect that the deformation is concentrated in the notch point.
또한 금속플레이트의 자유단에 접촉팁을 부착함으로써 금속플레이트의 자중 을 증가시키지 않고도 모멘트 팔 길이를 크게 하여 큰 변형율 값을 얻도록 하였다.In addition, by attaching a contact tip to the free end of the metal plate, a large strain value was obtained by increasing the moment arm length without increasing the weight of the metal plate.
또한 커버를 사용하여 미세힘 측정센서에 외란의 영향을 최소하하며 커버의 개방부의 폭을 적절히 제한함으로써 금속플레이트의 소성변형 및 스트레인 게이지의 손상을 방지하였다.In addition, the cover minimizes the influence of disturbance on the micro-force measuring sensor and properly limits the width of the opening of the cover to prevent plastic deformation of the metal plate and damage of the strain gauge.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세힘 측정센서의 구성에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the configuration of the micro force measuring sensor according to a preferred embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세힘 측정센서의 구성을 도시한 분해사시도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세힘 측정센서의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세힘 측정센서의 측정부의 사시도이다. 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세힘 측정센서는 고정단(1), 금속플레이트(10), 접촉팁(30) 및 커버(20)를 포함하여 구성된다. 금속플레이트(10), 고정단(1) 및 접촉팁(30)이 결합된 전체를 측정부라고 한다.1 is an exploded perspective view showing the configuration of a micro force measuring sensor according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 2 is a perspective view of a micro force measuring sensor according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 3 is a preferred embodiment of the present invention A perspective view of a measuring unit of the micro force measuring sensor according to the embodiment. As shown in Figures 1 to 3, the micro force measuring sensor according to a preferred embodiment of the present invention comprises a fixed
금속플레이트(10)는 일단에 평면형태의 고정부(11)가 형성되며, 고정부(11)로부터 일방향으로 연장된 변형부(15)가 형성된다. 고정부(11)에는 볼트체결을 위한 볼트구멍(12)들이 형성된다. 변형부(15)는 고정부(11)와 평행하게 형성된 측정면(16)과 측정면(16)의 양측 가장자리에서 측정면(16)과 수직하게 절곡된 보강면(19)으로 이루어진다. 따라서 변형부(15)는 'ㄷ'자형 단면을 갖는다. 변형부(15)의 측정면(16)은 연장방향을 따라 서로 떨어져 위치하는 2개 지점들 각각의 양측 가장자리에 브이(V)자형 노치(17)가 형성되어 있다. 측정면(16)의 브이자형 노치(17)가 형성된 각각의 지점에는 스트레인 게이지(50)가 부착된다. 변형부(15)의 보강면(19)은 측정면(16)의 양측 가장자리 중에서 브이자형 노치(17)가 형성되지 않은 부분에만 형성된다. 본 실시예에서는 금속플레이트(10)로서 구리판을 사용하였다.The
고정단(1)은 금속플레이트(10)의 일단을 고정하기 위한 것으로서, 본 실시예에서는 한 쌍의 고무판들로 형성되며 각각의 고무판에는 금속플레이트(10)와의 볼트체결을 위한 볼트구멍(3)들이 형성된다. 한 쌍의 고무판들이 금속플레이트(10)의 고정부(11)의 양측에서 금속플레이트(10)의 고정부(11)와 포개어지며, 고정단(1)이 포개어진 금속플레이트(10)는 이후 설명될 커버(20)에 볼트체결 등을 통해 고정된다. The fixed
접촉팁(30)은 변형부(15)의 측정면(16)으로부터 일정 길이만큼 연장되도록 측정면(16)에 접합된다. 접촉팁(30)은 금속플레이트(10)와 대하여 상대적으로 강체거동을 하는 구성으로서 금속플레이트(10)의 강성보다 큰 강성을 갖는 재질을 사용하며, 본 실시예에서는 대략 0.1밀리미터 전후의 직경을 갖는 텅스텐팁을 사용한다. 따라서 일정한 힘 이하에서는 금속플레이트(10)는 변형되더라도 접촉팁(30)은 변형되지 않는다.The
커버(20)는 측정부를 보호하기 위한 것으로서 상호결합하는 좌측케이스(21) 및 우측케이스(26)로 구성된다. The
좌측케이스(21)의 내측면에는 측정부가 자리잡을 수 있는 측정부 안치부(22) 가 돌출되어 형성되며, 측정부 안치부(22)의 일영역에는 상기 금속플레이트(10) 및 고정단(1)에 형성된 볼트구멍들(12, 3)에 대응하는 볼트구멍(24)들이 형성된다. 좌측케이스(21)의 각 모서리들에는 우측케이스(26)와의 볼트결합을 위한 볼트구멍(25)들이 형성된다.The inner side of the
우측케이스(26)는 좌측케이스(21)와 결합함으로써 내부에 측정부를 수용하는 것으로서, 우측케이스(26)의 내측면에는 금속플레이트(10)가 수용되는 공간인 측정부수용홈(27)이 형성되어 있다. 우측케이스(26)의 전단에는 측정부수용홈(27)에 연결되며 우측케이스(26)의 전단으로 관통된 구멍인 개방부(28)가 형성되어 있다. 우측케이스(26)의 후단에는 측정부수용홈(27)에 연결되며 우측케이스(26)의 후단으로 관통되어 배선(미도시)의 경로를 형성하는 배선구멍(29)이 형성되어 있다.The
측정부를 사이에 두고 좌측케이스(21)와 우측케이스(26)를 결합하면 측정부의 접촉팁(30)은 개방부(28)를 통해 외부로 노출된다. When the
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세힘 측정센서에 외부커버가 장착된 것을 도시한 사시도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세힘 측정센서는 접촉팁(30)이 노출되도록 외부개방구멍(42)이 있는 외부커버(40)의 내부에 장착된다. 이 때 외부커버(40)는 미세힘 측정센서를 외부로부터 보호하고 온도변화 등에 의해 영향받는 것을 최소화한다.Figure 4 is a perspective view showing that the outer cover is mounted on the micro force measuring sensor according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the micro force measuring sensor according to the preferred embodiment of the present invention is mounted inside the
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세힘 측정센서의 측정가 탄성한계점까지의 변형할 때의 커버의 개방부와 접촉팁의 상태를 개략적으로 도시한 측면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 커버(20)에 형성된 개방부(28)의 폭은 제한될 필요가 있다. 금속플레이트(10)의 소성변형이 일어나지 않는 최대처짐위치 및 스트레인 게이지(50)의 손상이 발생하지 않는 금속플레이트(10)의 최대처짐위치 중 더 작은 값의 최대처짐위치에서 접촉팁(30)이 커버(20)의 개방부(28)에 닿지 않아야 한다. 그 결과 커버(20)의 개방부(28)의 폭은 접촉팁(30)의 이동범위를 제한함으로써 금속플레이트(10)의 소성변형을 방지하고 또한 스트레인 게이지(50)의 손상을 방지하는 효과가 있다. 5 is a side view schematically showing the state of the opening and the contact tip of the cover when the measurement of the micro force measuring sensor according to a preferred embodiment of the present invention deforms to the elastic limit point. As shown in FIG. 5, the width of the opening 28 formed in the
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세힘 측정센서의 작동 및 작용효과에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter will be described the operation and effect of the micro-force measurement sensor according to a preferred embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세힘 측정센서의 측정부를 위에서 아래로 내려다본 평면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 측정부의 접촉팁(30)의 한 점에 힘이 작용하는 경우 그 힘의 크기와 그 힘이 작용하는 위치는 다음의 식에 의해 결정된다.6 is a plan view of the measuring part of the micro force measuring sensor according to an embodiment of the present invention from the top down. As shown in FIG. 6, when a force acts on a point of the
σ: 응력σ: stress
εa : a지점에서의 변형률ε a : strain at point a
M : 모멘트M: Moment
I : 관성모멘트I: Moment of Inertia
y : 중립면(neutral surface)으로부터의 거리y is the distance from the neutral surface
E : 영의 계수E: Young's modulus
x : 힘의 작용위치x: position of force
x1 : 스트레인게이지1의 위치x 1 : Position of
x2 : 스트레인게이지2의 위치x 2 : Position of strain gauge 2
F : 작용 힘F: working force
수학식 1에서 ε1 에 관한 식과 , ε2 에 관한 식을 조합하면 수학식 2와 같이 힘의 크기(F)와 힘 작용 지점의 위치(x)가 산출된다.Combining the equation for ε 1 and the equation for ε 2 in
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세힘 측정센서에서 변형율을 측정하는 부분인 금속플레이트(10)에는 브이자형 노치(17)가 형성되어 있으며 동시에 브이자형 노치(17)가 형성된 부분에 스트레인 게이지(50)가 부착되어 있다. 따라서 측정부의 접촉팁(30)에 일정크기의 힘이 작용할 때에, 금속플레이트(10)의 측정면(16) 중에서 브이자형 노치(17)에 인접한 부분은 브이자형 노치(17)에 의해 단면계수가 작아진다. 이렇게 변형이 노치지점을 중심으로 집중되도록 한 결과로서 브이자형 노치(17)에 인접한 부분의 스트레인 게이지(50)에서 측정되는 변형율은 브이자형 노치(17)가 형성되지 않은 경우에 비하여 상대적으로 커지게 된다. 따라서 더욱 큰 결과값을 얻을 수 있기 때문에 측정시 발생할 수 있는 오차에 따른 영향이 감소하게 되어 더욱 정확한 힘의 크기 및 힘이 작용하는 지점의 측정이 가능해진다. V-shaped
또한 본 발명에 따른 미세힘 측정센서에서는 브이자형 노치(17)의 지점에서 변형율이 큰 값을 갖기 때문에 스트레인 게이지(50)의 부착지점이 고정단(1) 부근에 한정될 필요가 없으며 2개의 스트레인 게이지(50)들이 서로 가깝게 위치할 필요도 없다. 따라서 상호 이격된 2개 지점에 스트레인 게이지(50)들이 부착되기 때문에 각각의 스트레인 게이지(50)에서 측정되는 값들을 일정크기 이상의 차이를 갖게 할 수 있다. In addition, in the micro-force measuring sensor according to the present invention, since the strain has a large value at the point of the V-shaped
이에 반해 금속플레이트(10)에 노치가 형성되지 않은 경우에는 일정크기 이상의 값을 갖는 변형율을 얻기 위해 고정단(1)에 인접한 부분에 집중하여 2개의 스트레인 게이지(50)들을 부착하여야 하지만, 고정단(1)에 인접한 부분에 집중하여 2개의 스트레인 게이지(50)들을 부착할 경우 각각의 스트레인 게이지(50)의 거리가 짧기 때문에 측정되는 변형율의 값들은 큰 차이를 갖기 어렵다. 측정되는 변형율의 값들의 차이가 작은 경우에는 오차에 의한 영향이 커지고 부정확한 결과값이 얻어진다.In contrast, when the notch is not formed in the
또한 금속플레이트(10)의 측정면(16) 중에서 브이자형 노치(17)의 형성지점 이외에는 추가로 보강면(19)이 더 형성되어 있기 때문에 보강면(19)이 형성되지 않은 경우와 비교할 때 더욱 큰 단면계수를 갖는다. 금속플레이트(10)에 강성을 증가시키는 보강면(19)이 형성됨에 따라 측정부의 접촉팁(30)에 일정한 힘이 작용하면 브이자형 노치(17)의 형성지점으로 변형이 집중되어 브이자형 노치(17)의 형성지점의 변형율은 더욱 큰 값을 갖는다. 따라서 더욱 큰 결과값을 얻을 수 있기 때문에 측정시 발생할 수 있는 오차에 따른 영향이 감소하게 되어 힘의 크기 및 힘의 작용 지점의 측정이 더욱 정확해진다. 또한 금속플레이트(10)에 보강면(19)을 형성하여 'ㄷ'자형 단면을 갖게 함으로써 금속플레이트(10)의 강성을 증가시켰기 때문에 외란에 의한 진동발생이 최소화되므로 더욱 정확한 측정이 가능해진다.In addition, since the reinforcing
또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세힘 측정센서에 입력되는 힘의 크기는 마이크로뉴턴(μN) 또는 밀리뉴턴(mN) 단위이기 때문에 이러한 미세힘에 의해 발생하는 금속플레이트(10)의 변형율을 크게 하기 위해서는 모멘트의 팔길이를 길게 하며 모멘트의 값을 크게 해야한다. 그러나 팔길이를 크게 하면 금속플레이트(10)의 길이증가에 따른 자중의 증가로 처짐이 발생하여 측정의 오차가 발생한다. 미세힘 측정센서에 사용되는 금속플레이트(10)는 미세힘을 측정하는 특성상 두께가 매우 얇아서 처짐이 쉽게 발생하기 때문이다. 따라서 자중의 증가를 최소화하면서 팔길이를 연장시키기 위해 본 실시예에서는 접촉팁(30)을 사용하였다. 접촉팁(30)은 강성이 큰 재질인 텅스텐을 사용하였고 금속플레이트(10)의 폭에 비해 매우 작은 폭을 갖도록 하였다. 따라서 모멘트 팔의 길이를 증가시키면서 자중의 증가는 무시할 정도로 최소화된다.In addition, since the magnitude of the force input to the micro force measuring sensor according to the preferred embodiment of the present invention is a unit of micronewtons (μN) or millinewtons (mN), the strain of the
또한 본 발명에 따른 미세힘 측정센서는 초소형 부품들을 조작하는 매니플레이터에 적용이 가능한 데, 본 발명에 따른 미세힘 측정센서는 금속플레이트(10)의 단부에 미세한 접촉팁(30)을 형성하였기 때문에 미세한 부품들을 조작하는 정밀작업을 원활히 수행할 수 있다.In addition, the micro force measuring sensor according to the present invention can be applied to a manipulator for manipulating the micro components, the micro force measuring sensor according to the present invention formed a
본 발명에 따른 미세힘 측정센서를 통해 출력되는 신호값에 의해 산출되는 힘의 크기가 실제 작용한 힘의 크기를 정확하게 추종하는지를 2가지 실험을 통해 확인하였다. It was confirmed through two experiments whether the magnitude of the force calculated by the signal value output through the micro-force measuring sensor according to the present invention accurately follows the magnitude of the force actually acted on.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세힘 측정센서에 로드셀을 통해서 알고 있는 크기의 힘을 작용했을 때에 출력되는 스트레인 게이지의 신호값과 작용힘의 상관관계를 도시한 그래프이고, 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세힘 측정센서에 레이저변위기를 통해서 알고 있는 크기의 힘에 해당하는 변위를 주었을 때에 출력되는 스트레인 게이지의 신호값과 해당 변위에 대응하는 작용힘의 상관관계를 도시한 그래프이다.FIG. 7 is a graph illustrating a correlation between a signal value of a strain gauge and an operating force output when a force having a known magnitude is applied to a micro force measuring sensor according to a preferred embodiment of the present invention. When the micro force measuring sensor according to the preferred embodiment of the present invention is given a displacement corresponding to a force of a known magnitude through a laser displacement, the correlation between the signal value of the strain gauge outputted and the acting force corresponding to the displacement is shown. It is a graph.
첫째로 본 발명에 따른 미세힘 측정센서에 로드셀을 통해서 알고 있는 크기의 힘을 가하여 출력되는 스트레인 게이지(50)의 신호값을 확인하였다. 그 결과 도 7의 그래프가 보여주듯이 가해진 힘과 신호값 사이가 선형적 관계를 가짐을 알 수 있다. First, the signal value of the
두번째로 본 발명에 따른 미세힘 측정센서에 레이저변위기를 통해서 알고 있는 크기의 힘에 해당하는 변위를 줄 때의 출력되는 스트레인 게이지(50)의 신호값을 확인하여 보았다. 그 결과 도 8의 그래프가 보여주듯이 가해진 힘과 신호값 사이가 선형적 관계를 가짐을 알 수 있다. Secondly, the signal value of the
위 2가지 실험에서 보여주듯이 본 발명에 따른 미세힘 측정센서로부터 출력되는 신호값은 가해진 힘에 선형적 비례관계를 가지고 있으므로, 적절한 교정식을 적용하면 본 발명에 따른 미세힘 측정센서가 정확한 힘의 값을 산출할 수 있음이 확인된다.As shown in the above two experiments, the signal value output from the micro force measuring sensor according to the present invention has a linear proportionality to the applied force. Therefore, when an appropriate calibration equation is applied, the micro force measuring sensor according to the present invention provides the correct force. It is confirmed that the value can be calculated.
위 실험결과는 본 발명에 따른 미세힘 측정센서의 스트레인 게이지(50)로부 터 측정된 신호값을 증폭, 필터링 등의 과정을 거쳐 PC로 전달하여 구현된 알고리즘을 통해 최종적으로 GUI형태로 최종값을 확인한 결과이다.The above experimental result is the final value in the form of GUI finally through the algorithm implemented by transferring the signal value measured from the
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세힘 측정센서의 측정부의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세힘 측정센서는 다른 구성에 있어서는 도 1 내지 도 3에 도시된 미세힘 측정센서의 구성들과 동일하거나 유사하며 측정부의 구성에 있어서 차이가 있다. 따라서 본 실시예에서는 측정부 이외의 구성에 대한 설명은 생략하고 측정부의 구성을 중심으로 설명한다.9 is a perspective view schematically illustrating a configuration of a measuring unit of a micro force measuring sensor according to another exemplary embodiment of the present invention. As shown in Figure 9, the micro-force measuring sensor according to another embodiment of the present invention in the other configuration is the same as or similar to the configuration of the micro-force measuring sensor shown in Figures 1 to 3 and in the configuration of the measuring unit There is a difference. Therefore, in the present embodiment, the description of the configuration other than the measurement unit will be omitted, and the description will be mainly focused on the configuration of the measurement unit.
본 실시예에 따른 미세힘 측정센서의 측정부는 변형부(100)를 포함한다. 변형부(100)는 고정단(110)에 고정되며 상기 고정단으로부터 일방향으로 연장되는 4개의 측정면(116)들을 구비하며 인접한 각각의 측정면(116)들은 90도를 이루도록 절곡되어 있고 상기 고정단(110)의 반대방향에 위치하는 단부에는 상기 4개의 측정정면(116)들과 수직하게 단부면(117)이 형성되어 있다. 변형부(100)는 4개의 측정면(116)들과 단부면(117)으로 둘러싸인 중공의 구조이다.The measuring unit of the micro force measuring sensor according to the present embodiment includes a
상기 4개의 측정면(116)들의 각각의 가장자리에는 브이자형노치(17)가 형성되며, 상호 인접한 2개의 측정면(116)들 각각에는 브이자형노치(17)에 인접한 부분에 각각 스트레인 게이지(50)가 부착된다.A V-shaped
상기 변형부(100)의 단부면(117) 중앙에는 텅스텐 재질의 접촉팁(30)이 부착된다.A
따라서 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세힘 측정센서는 변형부의 서로 수직한 2개의 측정면에 스트레인 게이지가 부착되기 때문에 단부면에 수평한 방향의 힘을 측정할 수가 있다. Therefore, the micro-force measuring sensor according to another embodiment of the present invention can measure the force in a direction horizontal to the end surface because the strain gauge is attached to the two measuring surfaces perpendicular to the deformation portion.
즉 도 1 내지 도 3에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세힘 측정센서는 1개의 측정면에만 스트레인 게이지가 구비되므로 상기 1개의 측정면에 수직한 방향의 힘만을 측정할 수 있지만, 도 9에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세힘 측정센서는 상호 수직하게 배치된 2개의 측정면들에 각각 부착된 스트레인 게이지들에 의해 상호 수직한 2개방향의 힘을 측정할 수 있으므로, 상기 측정된 2개방향의 힘들을 조합하면 상기 변형부의 단부면에 수평한 방향으로 작용하는 힘을 측정할 수 있다. 결론적으로 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예의 미세힘 측정센서는 1차원방향의 힘을 측정할 수 있지만 도 9에 도시된 실시예의 미세힘 측정센서는 2차원방향에서의 힘을 측정할 수 있게 된다.That is, the micro-force measuring sensor according to the preferred embodiment of the present invention shown in Figures 1 to 3 is provided with a strain gauge only on one measurement surface, but can measure only the force in the direction perpendicular to the one measurement surface. Since the micro-force measuring sensor according to another embodiment of the present invention shown in FIG. 9 can measure the forces in two mutually perpendicular directions by the strain gauges respectively attached to the two measuring surfaces disposed perpendicular to each other, By combining the measured forces in the two directions it is possible to measure the force acting in the direction horizontal to the end surface of the deformation portion. In conclusion, the micro-force measuring sensor of the embodiment shown in Figures 1 to 3 can measure the force in the one-dimensional direction, but the micro-force measuring sensor of the embodiment shown in Figure 9 can measure the force in the two-dimensional direction do.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 미세힘 측정센서의 금속플레이트(10)에 형성된 노치의 형상을 브이자형 노치(17)를 예로 들어 설명하였지만, 본 발명은 금속플레이트(10)에 형성된 노치의 형상에 제한되지 않으며, 금속플레이트(10)에 원형의 노치, 사각형의 노치 등을 형성하는 것도 가능하다.In the preferred embodiment of the present invention, the shape of the notch formed on the
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세힘 측정센서는 커버(20)에 의해 금속플레이트(10)는 가려지고 개방공을 통해서 얇은 접촉팁(30)만 외부로 노출되기 때문에 바람 등의 외란에 의한 측정오차가 최소화된다.In the micro force measuring sensor according to the preferred embodiment of the present invention, since the
본 발명의 바람직한 실시예에서는 미세힘 측정센서의 금속플레이트(10)에 2개의 노치가 형성된 것을 예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 미세힘 측정센서의 금속플레이트(10)에 노치가 1개 형성되는 것도 가능하다. 노치가 1개만 형성된 경우 힘의 크기 및 힘 작용 위치 중 하나를 알게 되면 힘의 크기 및 힘 작용 위치 중 나머지 값을 측정할 수 있게 된다.In the preferred embodiment of the present invention, for example, two notches are formed on the
본 발명의 바람직한 실시예에서는 미세힘 측정센서의 플레이트로서 금속플레이트 특히 구리재질의 금속플레이트를 예를 들었으나, 본 발명은 플레이트의 재질에 제한되지 않으며, 플레이트가 자중에 의해 처지지 않으면서 밀리뉴턴 및 나노뉴턴의 힘에 변형하는 거동을 보여주는 재질이면 특정한 재질에 한정되지 않는다.In the preferred embodiment of the present invention, a metal plate, in particular, a copper plate of metal plate is exemplified as the plate of the micro force measuring sensor. And it is not limited to a specific material as long as it shows a material deforming the force of the nanonewton force.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세힘 측정센서의 구성을 도시한 분해사시도이고, 1 is an exploded perspective view showing the configuration of a micro force measuring sensor according to a preferred embodiment of the present invention,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세힘 측정센서의 사시도이고,2 is a perspective view of a micro force measuring sensor according to a preferred embodiment of the present invention,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세힘 측정센서의 측정부의 사시도이고, 3 is a perspective view of a measuring unit of the micro force measuring sensor according to an embodiment of the present invention,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세힘 측정센서에 외부커버가 장착된 것을 도시한 사시도이고,Figure 4 is a perspective view showing that the outer cover is mounted on the micro force measuring sensor according to a preferred embodiment of the present invention,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세힘 측정센서의 측정가 탄성한계점까지의 변형할 때의 커버의 개방부와 접촉팁의 상태를 개략적으로 도시한 측면도이고, 5 is a side view schematically showing the state of the opening and the contact tip of the cover when the measurement of the micro force measuring sensor according to a preferred embodiment of the present invention deforms to an elastic limit point,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세힘 측정센서의 측정부를 위에서 아래로 내려다본 평면도이고,6 is a plan view of the micro-force measuring sensor according to a preferred embodiment of the present invention looking down from the top,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세힘 측정센서에 로드셀을 통해서 알고 있는 크기의 힘을 작용했을 때에 출력되는 스트레인 게이지의 신호값과 작용힘의 상관관계를 도시한 그래프이고,FIG. 7 is a graph showing a correlation between a signal value of a strain gauge and an operating force output when a force having a known magnitude is applied to a micro force measuring sensor according to a preferred embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세힘 측정센서에 레이저변위기를 통해서 알고 있는 크기의 힘에 해당하는 변위를 주었을 때에 출력되는 스트레인 게이지의 신호값과 해당 변위에 대응하는 작용힘의 상관관계를 도시한 그래프이다.8 is a correlation between a signal value of a strain gauge output when a force corresponding to a force of a known magnitude is applied to a micro force measuring sensor according to a preferred embodiment of the present invention and an acting force corresponding to the displacement. Is a graph.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세힘 측정센서의 측정부의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.9 is a perspective view schematically illustrating a configuration of a measuring unit of a micro force measuring sensor according to another exemplary embodiment of the present invention.
* 주요 도면 부호의 설명 *Explanation of the Main References
1: 고정단 10: 금속플레이트1: fixed end 10: metal plate
16: 측정면 17: 브이지형 노치16: measuring surface 17: V-shaped notch
19: 보강면 20: 커버19: reinforcement surface 20: cover
30: 접촉팁 40: 외부커버30: contact tip 40: outer cover
50: 스트레인 게이지50: strain gauge
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