KR101119567B1 - Gap sensor and method for manufacturing the same, apparatus and method for measuring abrasion of gun barrel using the gap sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의한 간극센서는, 기판과, 전압을 공급받을 수 있도록 기판의 표면에 결합된 제 1 전극과, 전압을 공급받아 제 1 전극과의 사이에 정전용량이 발생할 수 있도록 제 1 전극과 대면하여 있는 제 2 전극과, 기판에 결합되어 제 2 전극을 제 1 전극으로부터 이격되도록 지지하는 신축성 몸체를 포함한다. 신축성 몸체는 제 2 전극의 제 1 전극로부터의 간격이 가변할 수 있도록 탄성 변형이 가능한 신축성 있는 소재로 이루어져 있어서, 신축성 몸체가 변형되면 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 발생되는 정전용량이 변하게 된다. 본 발명에 의한 간극센서는, 정전용량 방식으로 작동하고, 미세한 분해능을 가지고 있어서 정밀한 측정이 가능하다.The gap sensor according to the present invention faces a substrate, a first electrode coupled to a surface of the substrate to receive a voltage, and a first electrode facing the first electrode to generate a capacitance between the substrate and the first electrode. And a stretchable body coupled to the substrate and supporting the second electrode so as to be spaced apart from the first electrode. The stretchable body is made of a stretchable material that is elastically deformable so that the distance from the first electrode of the second electrode is variable, so that the capacitance generated between the first electrode and the second electrode changes when the stretchable body is deformed. . The gap sensor according to the present invention operates in a capacitive manner, has a fine resolution, and enables precise measurement.
Description
본 발명은 간극센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 검사 대상물의 마모 깊이를 간단하게 측정할 수 있는 간극센서 및 그 제조방법과, 간극센서를 이용한 포신의 마모 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gap sensor, and more particularly, to a gap sensor and a method of manufacturing the same, which can easily measure the wear depth of an inspection object, and an apparatus and method for measuring the wear of a barrel using the gap sensor.
여러 가지 기계 장치에 있어서 사용에 따른 부품의 마모는 기계 장치의 오작동과 수명에 커다란 영향을 준다. 특히, 정밀한 동작이 요구되는 기계나 화력무기에 있어서 부품의 수명을 예측하고 적절한 시점에 수명을 다한 부품을 교체하는 것은 불량품의 발생을 줄이거나 사격의 정확도를 높이기 위해 반드시 필요한 작업이다. 이러한 이유로 사용 중 마모 발생의 위험이 큰 부품은 개발 시 사용에 따른 마모를 측정할 필요가 있다.In many mechanical devices, wear and tear on parts due to use has a major impact on the malfunction and life of the mechanical device. In particular, in machinery or firearms that require precise operation, predicting the life of parts and replacing parts that have reached the end of their life at the appropriate time is essential to reduce the occurrence of defective products or to increase the accuracy of shooting. For this reason, parts with a high risk of wear during use need to be measured for wear during development.
일예로, 화력무기는 사격에 따라 포신에 형성되어 있는 강선이 손상될 수 있으므로, 개발 시 포신의 마모를 필수적으로 측정하게 된다. 포신의 강선은 약실에서 발사된 탄체를 회전시켜 회전 관성을 갖도록 하기 위해 포신의 안쪽에 형성되어 있는 나선형 홈을 말한다. 통상적으로, 탄체는 중량이 탄저부에 집중된 원추형으로 이루어져 있어서 고속으로 발사할 경우 상대적으로 무거운 탄저부가 탄두부보다 선행하게 된다. 이러한 이유로 강선을 이용하여 탄체를 회전시킴으로써 탄체가 안정적인 탄도를 갖게 할 수 있는 것이다. 화력무기의 사격에 따른 포신의 마모를 측정하는 것이 중요한 이유는, 포신의 마모를 알면 사격의 정확성을 향상시킬 수 있고 화력무기의 수명을 예측할 수 있기 때문이다. For example, firearms can damage the steel wire formed on the barrel by shooting, so that the development of the barrel's wear is essential. The liner of the barrel is a spiral groove formed inside the barrel to rotate the body fired from the chamber and to have rotational inertia. Typically, the carcass is made of a conical shape whose weight is concentrated on the anthracite so that the relatively heavy anthracite precedes the warhead when firing at high speed. For this reason, by using a steel wire to rotate the carcass can ensure that the carcass has a stable trajectory. It is important to measure the abrasion of firearms with firearms because knowing the wear of the barrel can improve the accuracy of the fire and predict the life of firearms.
종래의 포신의 마모를 측정하는 방법으로는 풀오버 게이지(Pull-over Gage)법과 다이아몬드 인덴터(Diamond Indenter)법이 알려져 있다. 풀오버 게이지법은 풀오버 게이지로 포신의 내경을 직접 측정하는 방법이고, 다이아몬드 인덴터법은 다이아몬드 인덴터로 포신 내면에 압흔을 형성하고 사격 전과 사격 후의 압흔의 변화를 비교하여 포신의 마모를 측정하는 방법이다.Conventionally, the pull-over gauge method and the diamond indenter method are known as a method of measuring wear of a barrel. The pullover gauge method is a method of directly measuring the inner diameter of the barrel with a pullover gauge. The diamond indenter method is a diamond indenter that forms indentations on the inner surface of the barrel and compares the change of the indentation before and after the shot. .
그런데 풀오버 게이지법은 약 25㎛ 이상의 마모 깊이만 측정할 수 있기 때문에 포신의 마모를 측정하기 위해서는 많은 발수의 사격을 해야 하는 단점이 있다. 그리고 다이아몬드 인던터법은 최소 사격발수로도 포신의 마모를 측정할 수 있으나, 측정 과정 중에 포신의 내면에 압흔을 형성해야 하므로 포신이 손상되는 문제가 있다.However, since the pullover gauge method can measure only a wear depth of about 25 μm or more, there is a disadvantage in that a large number of water repellent shots are required to measure the wear of the barrel. In addition, the diamond inductor method can measure the abrasion of the barrel even with the minimum number of shots, but since the indentation must be formed on the inner surface of the barrel during the measurement process, the barrel is damaged.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 검사 대상물을 손상시키지 않으면서 간단한 방법으로 검사 대상물의 마모를 측정할 수 있는 간극센서 및 그 제조방법과, 그 간극센서를 이용한 포신의 마모 측정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the above problems, a gap sensor that can measure the wear of the test object in a simple method without damaging the test object, a manufacturing method thereof, and a wear measurement device of the barrel using the gap sensor. And to provide a method.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 의한 간극센서는, 기판과, 전압을 공급받을 수 있도록 상기 기판의 표면에 결합된 제 1 전극과, 전압을 공급받아 제 1 전극과의 사이에 정전용량이 발생할 수 있도록 제 1 전극과 대면하여 있는 제 2 전극과, 기판에 결합되어 제 2 전극을 제 1 전극으로부터 이격되도록 지지하는 신축성 몸체를 포함한다. 신축성 몸체는 제 2 전극의 제 1 전극로부터의 간격이 가변할 수 있도록 탄성 변형이 가능한 신축성 있는 소재로 이루어져 있어서, 신축성 몸체가 변형되면 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 발생되는 정전용량이 변하게 된다. 신축성 몸체는 제 1 전극과 대면하도록 배치되고 제 2 전극이 결합된 천장부와, 천장부로부터 돌출되어 있고 기판에 결합되어 천장부를 제 1 전극으로부터 이격시키는 측벽부를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a gap sensor includes a substrate, a first electrode coupled to a surface of the substrate to receive a voltage, and a voltage between the first electrode and the first electrode. And a second electrode facing the first electrode so as to generate capacitance, and an elastic body coupled to the substrate and supporting the second electrode to be spaced apart from the first electrode. The stretchable body is made of a stretchable material that is elastically deformable so that the distance from the first electrode of the second electrode is variable, so that the capacitance generated between the first electrode and the second electrode changes when the stretchable body is deformed. . The elastic body may include a ceiling portion disposed to face the first electrode and coupled with the second electrode, and a sidewall portion protruding from the ceiling portion and coupled to the substrate to space the ceiling portion from the first electrode.
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상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 의한 간극센서의 제조방법은, 기판의 표면에 제 1 전극을 형성하는 단계와, 천장부 및 천장부로부터 돌출된 측벽부를 갖는 신축성 몸체를 신축성 있는 소재로 형성하는 단계와, 천장부에 제 2 전극을 형성하는 단계와, 기판에 연결단자를 형성하는 단계와, 제2 전극 및 연결단자를 전기적으로 연결하기 위해 측벽부와 함께 신축될 수 있는 신축성 단자를 측벽부에 형성하는 단계와, 제 1 전극과 제 2 전극이 서로 이격된 상태로 대면하도록 상기 신축성 몸체를 기판에 결합하는 단계를 포함한다.According to one aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a gap sensor, which includes forming a first electrode on a surface of a substrate and a stretchable body having a ceiling portion and a side wall portion protruding from the ceiling portion. Forming a second electrode on the ceiling; forming a connecting terminal on the substrate; and a flexible terminal that can be stretched together with the sidewall to electrically connect the second electrode and the connecting terminal. Forming a sidewall portion, and coupling the elastic body to the substrate such that the first electrode and the second electrode face each other while being spaced apart from each other.
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상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명이 일실시예에 의한 포신의 마모 측정 장치는, 정전용량을 발생하는 간극센서와, 포신의 내부로 삽입될 수 있고 간극센서를 지지하는 지지대를 포함한다. 간극센서는, 기판과, 전압을 공급받을 수 있도록 기판의 표면에 결합된 제 1 전극과, 전압을 공급받아 제 1 전극과의 사이에 정전용량이 발생할 수 있도록 제 1 전극과 대면하여 있는 제 2 전극과, 기판에 결합되어 제 2 전극을 제 1 전극으로부터 이격되도록 지지하고 제 2 전극의 제 1 전극으로부터의 간격이 가변할 수 있도록 탄성 변형이 가능한 신축성 있는 소재로 이루어진 신축성 몸체를 포함한다. 지지대는 신축성 몸체가 포신의 내면에 접하여 탄성 변형될 수 있도록 상기 기판을 지지하는 지지부를 구비한다.The wear measurement apparatus of the barrel according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes a gap sensor for generating a capacitance, and a support that can be inserted into the barrel and supports the gap sensor. The gap sensor includes a substrate, a first electrode coupled to a surface of the substrate to receive a voltage, and a second facing the first electrode to generate capacitance between the first electrode and a voltage supplied thereto. And an elastic body coupled to the substrate to support the second electrode so as to be spaced apart from the first electrode, and an elastic body capable of elastic deformation so that the distance from the first electrode of the second electrode is variable. The support has a support for supporting the substrate such that the elastic body can be elastically deformed in contact with the inner surface of the barrel.
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상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 의한 포신의 마모 측정 방법은, 신축성 몸체와, 신축성 몸체의 변형에 따라 간격이 가변하는 두 개의 전극을 갖는 간극센서를 신축성 몸체가 포신의 내면에 접촉하여 변형되도록 포신 내부의 측정 위치에 위치시키는 단계와, 두 전극에 각각 전압을 공급하고, 사격 전 두 전극 사이에 발생하는 정전용량을 측정하는 단계와, 간극센서를 포신에서 제거한 후, 포신으로 사격을 실시하는 단계와, 사격 후 간극센서를 측정위치에 위치시키는 단계와, 두 전극에 각각 전압을 공급하고, 사격 후 두 전극 사이에 발생하는 정전용량을 측정하는 단계와, 사격 전후의 두 전극 사이에 각각 발생된 정전용량을 비교하여 포신의 마모를 측정하는 단계를 포함한다.The wear measurement method of the barrel according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, the elastic body and the gap sensor having two electrodes the interval of the variable according to the deformation of the elastic body, the elastic body is the inner surface of the barrel Positioning at a measurement position inside the barrel to be deformed in contact with the battery, supplying voltage to each of the two electrodes, measuring capacitance generated between the two electrodes before shooting, removing the gap sensor from the barrel, and then Firing the fire, placing the gap sensor at the measurement position after firing, supplying voltage to each of the two electrodes, and measuring the capacitance generated between the two electrodes after firing; Comparing the capacitance generated between the electrodes to measure wear of the barrel.
본 발명에 의한 간극센서는, 정전용량 방식으로 작동하고, 미세한 분해능을 가지고 있어서 정밀한 측정이 가능하다.The gap sensor according to the present invention operates in a capacitive manner, has a fine resolution, and enables precise measurement.
또한, 본 발명에 의한 간극센서는, 신축성 있는 신축성 몸체와 함께 신축성 있는 신축성 단자를 사용함으로써, 반복 사용에 따른 파손 위험이 적고 수명이 길다.In addition, the gap sensor according to the present invention uses a flexible terminal with a stretchable body, thereby reducing the risk of breakage and repeated service life due to repeated use.
본 발명에 의한 간극센서의 제조방법은 MEMS 기술을 이용함으로써, 정밀한 간극센서의 제작 및 대량생산이 가능하다.The method of manufacturing the gap sensor according to the present invention enables the production and mass production of precise gap sensors by using MEMS technology.
본 발명에 의한 포신의 마모 측정 장치는, 미세한 분해능을 가지고 있으므로, 강선의 높이 변화에 대하여 민감하게 반응할 수 있고, 최소 사격발수로 포신의 마모 변화를 측정해 낼 수 있다.Since the wear measurement apparatus of the barrel according to the present invention has a fine resolution, it can react sensitively to the height change of the steel wire, and can measure the wear change of the barrel at the minimum water repellency.
또한, 본 발명에 의한 포신 강선의 마모 측정 장치는, 종래의 다이아몬드 인덴터법과 같이 마모 측정 시 포신에 압흔을 남기지 않기 때문에 포신의 손상을 방지할 수 있다.In addition, since the wear measurement apparatus of the barrel steel wire according to the present invention does not leave indentations in the barrel during wear measurement as in the conventional diamond indenter method, damage to the barrel can be prevented.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 의한 간극센서에 대하여 설명한다. 도면에서 구성요소의 크기와 형상 등은 발명의 이해를 돕기 위해 과장되거나 단순화되어 나타날 수 있다.Hereinafter, a gap sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the size and shape of the components, etc. may be exaggerated or simplified to aid in understanding the invention.
도 1 내지 도 3에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 간극센서(10)는, 정전용량 방식으로 검사 대상물의 마모를 측정하는 것으로, 기판(11), 신축성 몸체(12), 제 1 전극(16) 및 제 2 전극(19)을 포함한다. 이러한 간극센서(10)는 두 개의 전극(16)(19)에 각각 전압을 공급하여 정전용량을 발생시키고, 두 전극(16)(19) 사이의 간격이 변하면 이들 사이의 정정용량이 변하는 원리를 이 용하여 검사 대상물의 마모를 측정할 수 있다.As shown in Figures 1 to 3, the
기판(11)은 제 1 전극(16) 및 제 2 전극(19) 사이의 정전용량에 영향을 주지 않도록 유리와 같은 전기 절연성 있는 소재로 이루어진다. 기판(11)은 신축성 몸체(12)와 같은 신축성 소재로 제조될 수도 있다. 기판(11)의 표면에는 제 1 전극(16), 단자(17) 및 연결단자(18)가 결합된다. 단자(17)는 제 1 전극(16)과 연결되어 제 1 전극(16)에 전압을 공급하고, 연결단자(18)는 제 2 전극(19)과 전기적으로 연결되어 제 2 전극(19)에 전압을 공급한다. 단자(17) 및 연결단자(18)는 제 1 전극(16)과 같은 도전성 소재로 이루어질 수 있고, 제 1 전극(16)을 기판(11)에 형성할 때 제 1 전극(16)과 함께 형성될 수 있다. 단자(17)와 연결단자(18)에는 각각 전압 공급을 위한 전압공급수단이 연결된다.The
신축성 몸체(12)는, 기판(11)에 결합되고, 사각의 천장부(13)와 천장부(13)의 네 변에 연결된 네 개의 측벽부(14)를 포함한다. 천장부(13)와 네 개의 측벽부(14) 사이에는 홈(15)이 형성되어 있으며, 제 1 전극(16)과 제 2 전극(19)은 이 홈(15)을 사이에 두고 배치됨으로써 상호 이격된다. 신축성 몸체(12)는 그 높이가 가변될 수 있도록 신축성 소재로 이루어진다. 신축성 몸체(12)를 구성하는 신축성 소재로는 탄성중합체(Elastomer)가 있다. 탄성중합체는 외력을 가해 잡아당기면 몇 배나 늘어나고, 외력을 제거하면 원래의 길이로 돌아가는 성질을 가지는 고분자 화합물을 말한다.The
탄성중합체의 일예로 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, 이하 PDMS라 한다)을 들 수 있다. PDMS는 변형량이 큰 탄성중합체의 일종으로 영계수(Young's Modulus)가 750kPa로 실리콘의 1/250에 불과하다. 또한, PDMS는, 내화학성, 저비용성, 빠른 제조성 등의 장점을 가지고 있다. 이 밖에도 PDMS는, 상대적으로 넓은 영역에 안정적으로 점착될 수 있고, 균질성이 있고(Homogeneous), 등방성이 있으며(Isotropic), 내구성이 강한 특징이 있다. 물론, 본 발명에 있어서 신축성 몸체(12)는 PDMS 이외의 다른 신축성 소재로 제조될 수 있다.An example of the elastomer is polydimethylsiloxane (hereinafter referred to as PDMS). PDMS is a high-modulus elastomer with a Young's Modulus of 750 kPa, which is only 1/250 of silicon. In addition, PDMS has advantages such as chemical resistance, low cost, and fast manufacturing. In addition, PDMS is characterized by being able to stably adhere to a relatively large area, homogeneous (Homogeneous), isotropic (Isotropic), and durable. Of course, in the present invention, the
신축성 몸체(12)의 신축 길이는 그 재질이나 형상 등에 따라 바뀔 수 있다. 간극센서(10)가 포신(30;도 18 참조)의 마모 측정 장치(40)로 사용되는 경우, 신축성 몸체(12)는 약 12㎛ 이상의 변위를 표현할 수 있고 강선(31)의 높이 변화에 대하여 민감하게 반응할 수 있는 재질로 이루어지는 것이 좋다. 이러한 재질로는 상술한 PDMS를 예로 들 수 있다.The stretch length of the
도 3에 도시된 것과 같이, 제 1 전극(16) 및 제 2 전극(19)은 이들 사이에 정전용량이 발생하도록 상호 이격되도록 배치된다. 제 1 전극(16)은 기판(11)의 표면에 결합되고, 제 2 전극(19)은 신축성 몸체(12)의 천장부(13)에 결합된다. 제 2 전극(19)이 신축성 몸체(12)의 내부에 배치되는 이유는 제 2 전극(19)이 포신(30)과 같은 검사 대상물에 접촉하면 손상될 수 있기 때문이다. 제 2 전극(19)에는 기판(11)에 결합되어 있는 연결단자(18)와 제 2 전극(19)을 상호 연결하기 위한 신축성 단자(20)가 연결되어 있다. 신축성 단자(20)는 제 2 전극(19)의 일측에서 연장되어 한쪽 측벽부(14)의 끝단까지 이어져 있다. 제 1 전극(16) 및 제 2 전극(19)은 공히 크롬(Cr)이나 금(Au)과 같은 도전성 소재로 이루어진다.As shown in FIG. 3, the
신축성 몸체(12)에 결합되어 있는 제 2 전극(19) 및 신축성 단자(20)는 신축 성 몸체(12)의 변형에 견딜 수 있어야 한다. 따라서, 제 2 전극(19) 및 신축성 단자(20)는 신축성 몸체(12)와 함께 신축될 수 있도록 신축성을 갖는 것이 좋으며, 신축성이 없으면 신축성 몸체(12)의 변형에 견디지 못하여 갈라져 버릴 수 있다. 이를 위해 제 2 전극(19) 및 신축성 단자(20)는 미세한 주름을 가지고 있으며, 신축성 몸체(12)가 신장하면 주름이 펴지면서 갈라지지 않고 늘어나게 된다. 이러한 제 2 전극(19) 및 신축성 단자(20)의 주름 형성에 대해서는 후술하기로 한다.The
제 2 전극(19)은 신축성 몸체(12)에 지지되어 있어서 구조적으로 제 1 전극(16)으로부터 이격되어 있지만, 그 이격 거리가 매우 작고 신축성 몸체(12)가 수축할 경우 제 1 전극(16)에 접촉할 수 있다. 제 1 전극(16)과 제 2 전극(19)이 서로 접촉하면 이들 사이에 정전용량이 발생하지 않기 때문에, 제 1 전극(16)과 제 2 전극(19)을 안정적으로 이격시킬 필요가 있다. 이를 위해 제 1 전극(16)과 제 2 전극(19)의 사이에는 보호막(21)이 개재되어 있다.The
보호막(21)은 단자(17)의 일부분을 제외하고 제 1 전극(16) 전체를 덮도록 기판(11)의 표면에 결합된다. 보호막(21)으로는 제 1 전극(16)과 제 2 전극(19) 사이의 전류 흐름을 막을 수 있는 다양한 전기 절연체가 이용될 수 있다. 보호막(21)의 일예로, 전기 절연체이면서 패턴 형성이 용이한 포토레지스트를 기판(11)에 도포함으로써 보호막(21)을 형성할 수 있다. 도면에는 보호막(21)이 제 1 전극(16)을 덮도록 기판(11)에 결합되어 있는 것으로 나타나 있으나, 보호막(21)은 제 2 전극(19)을 덮도록 신축성 몸체(12)에 결합될 수도 있다.The
이하, 도 4 내지 도 15를 참조하여 본 발명의 일실시예에 의한 간극센서의 제조방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a gap sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 to 15.
먼저, 도 4에 도시된 것과 같이, 유리와 같은 전기 절연체로 된 기판(11)의 표면에 제 1 전극(16), 단자(17) 및 연결단자(18)를 형성한다. 이들은 기판(11)의 표면에 금속막을 증착한 후 이를 패터닝함으로써 동시에 형성할 수 있다. 제 1 전극(16)은 단자(17)와 연결되고, 연결단자(18)와는 분리된다. 금속막의 증착은 E-beam 증착법이 이용될 수 있고, 금속으로는 크롬(Cr) 및 금(Au)이 이용될 수 있다. 물론, 제 1 전극(16), 단자(17) 및 연결단자(18)는 다른 도전성 소재로 만들어질 수 있고, 이들의 형성은 E-beam 증착법 이외의 방법이 이용될 수 있다.First, as shown in FIG. 4, the
기판(11)에 제 1 전극(16)을 형성한 후, 도 5에 도시된 것과 같이, 단자(17)의 일부분을 제외하고 제 1 전극(16) 전체를 보호막(21)으로 덮는다. 보호막(21)으로 포토레지스트를 이용할 경우, 포토레지스트를 기판(11)에 스핀 코팅한 후 공지된 포토리소그래피법으로 패터닝함으로써 제 1 전극(16)을 덮은 보호막(21)을 형성할 수 있다. 보호막(21)은 포토레지스트 이외의 재질로 제 1 전극(16)을 덮을 수 있는 다른 방법으로 형성될 수도 있다.After the
도 6 내지 도 8은 신축성 몸체(12)를 만드는 과정을 나타낸 것이다. 먼저, 도 6에 도시된 것과 같이, 몰드용 기판(22) 위에 몰드(23)를 만든다. 몰드(23)로는 포토레지스트가 이용될 수 있다. 포토레지스트는 원하는 형상을 패터닝하기 좋으므로, 이를 이용하면 몰드(23)를 신축성 몸체(12)의 홈(15)에 대응하는 형상으로 쉽게 만들 수 있다. 포토레지스트로 몰드(23)를 만들 경우, 포토레지스트를 몰드용 기판(22) 위에 스핀 코팅한 후, 이를 포토리소그래피법으로 패터닝함으로써 몰 드(23)를 형성할 수 있다. 몰드(23)는 이러한 것 이외에 다른 재질로 다른 방법에 의해 몰드용 기판(22)의 표면에 형성될 수 있다.6 to 8 show the process of making the
몰드(23)를 형성한 후, 도 7에 도시된 것과 같이, 몰드용 기판(22)에 액상의 신축성 물질(24)을 도포한다. 신축성 물질(24)로는 PDMS와 같은 탄성중합체가 이용될 수 있다. 신축성 물질(24)이 경화되면, 이를 몰드용 기판(22) 및 몰드(23)로부터 분리한다. 도 8에 도시된 것과 같이, 경화된 신축성 물질(24)은 몰드(23)에 대응하는 형상의 홈(15)을 갖는 신축성 몸체(12)를 형성한다.After the
도 9 내지 도 14는 신축성 몸체(12)에 제 2 전극(19) 및 신축성 단자(20)를 형성하는 과정을 나타낸 것이다. 도 8 및 도 11에 도시된 것과 같이, 상온(예컨대, 25℃)에 있는 신축성 몸체(12)를 신축성 몸체(12)가 소성 변형되지 않고 최대로 팽창할 수 있는 고온(예컨대, 200℃)으로 가열하면, 도 9 및 도 12에 도시된 것과 같이, 신축성 몸체(12)가 팽창한다.9 to 14 illustrate a process of forming the
이렇게 팽창한 상태에서 도 9 및 도 13에 도시된 것과 같이, 신축성 몸체(12)의 천장부(13) 및 한쪽 측벽부(14)에 금속막(25)을 증착한다. 금속막(25)으로는 제 1 전극(16)과 같이 크롬(Cr) 및 금(Au)이 이용될 수 있고, 증착방법으로는 E-beam 증착법이 이용될 수 있다. E-beam 증착법을 이용할 경우, 별도의 가열 수단이 필요없이 E-beam 증착기를 이용하여 신축성 몸체(12)를 가열할 수 있다.In this expanded state, as illustrated in FIGS. 9 and 13, the
신축성 몸체(12)에 금속막(25)을 증착한 후, 가열되었던 신축성 몸체(12)의 온도를 상온(예컨대, 25℃)까지 떨어트리면, 도 10 및 도 14에 도시된 것과 같이, 신축성 몸체(12)가 원래 상태로 수축하면서 금속막(25)에 압축응력이 가해져 주름 진 제 2 전극(19) 및 신축성 단자(20)가 형성된다. 이러한 주름진 제 2 전극(19) 및 신축성 단자(20)는, 신축성 몸체(12)가 팽창할 때 주름이 펴지면서 늘어나고, 신축성 몸체(12)가 수축하면 다시 주름이 잡히면서 수축한다. 따라서, 제 2 전극(19) 및 신축성 단자(20)는 신축성 몸체(12)와 같은 신축성을 갖게 되며, 반복적으로 사용하더라도 쉽게 갈라지거나 파손되지 않는다.After depositing the
마지막으로, 도 15에 도시된 것과 같이, 제 2 전극(19)이 형성된 신축성 몸체(12)를 제 1 전극(16)이 형성되어 있는 기판(11)에 부착함으로써 간극센서(10)의 제조가 완료된다. 기판(11)과 신축성 몸체(12)의 부착은 접착제를 통한 접착방법 또는 다양한 물리적 화학적 방법으로 이루어질 수 있다. 기판(11)과 신축성 몸체(12)를 부착할 때, 제 2 전극(19)에 전압을 공급할 수 있도록 신축성 단자(20)를 연결단자(18)와 접속시킨다.Finally, as illustrated in FIG. 15, the manufacturing of the
도 16은 본 발명에 의한 간극센서(10)의 제 2 전극(19) 또는 신축성 단자(20)를 반복적인 수축 및 팽창 후에 확대하여 나타낸 것으로, 갈라지거나 파손되지 않고 주름이 잡혀 있는 것을 확인할 수 있다. 이에 반해, 도 17은 일반적인 전극을 나타낸 것으로, 반복적인 수축 및 팽창 후에 갈라진 모습을 확인할 수 있다.FIG. 16 is an enlarged view of the
본 발명의 일실시예에 의한 간극센서(10)를 이용할 때, 신축성 몸체(12)는 상하 방향으로만 변형되기 때문에, 제 2 전극(19) 및 신축성 단자(20) 모두가 신축될 필요는 없으며, 신축성 단자(20)만 신축되어도 작동에는 문제가 없다. 따라서, 제 2 전극(19)은 제 1 전극(16)과 같은 형태로 이루어지고, 신축성 단자(20)만 주름을 가져도 된다. 이 경우, 제 2 전극(19)과 신축성 단자(20)는 별도의 공정을 통 해 따로 만들어지며, 이들 형성 공정의 순서는 경우에 따라 달라질 수 있다.When using the
또한, 제 2 전극(19)이 기판(11)에 구비된 연결단자(18)에 의하지 않고 신축성 몸체(12)의 천장부(13)에서 전압공급수단과 직접 연결될 경우, 신축성 단자(20)는 생략될 수도 있다.In addition, when the
이상에서 설명한 본 발명의 일실시예에 의한 간극센서의 제조방법은, MEMS 기술을 그대로 적용한 것으로, 이러한 간극센서의 제조방법을 이용하면 정밀한 간극센서를 대량생산할 수 있다.The manufacturing method of the gap sensor according to the embodiment of the present invention described above is applied to the MEMS technology as it is, by using such a manufacturing method of the gap sensor it is possible to mass-produce a precise gap sensor.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 상술한 간극센서를 갖는 포신의 마모 측정 장치 및 이를 이용한 포신의 마모 측정 방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described with respect to the wear measurement apparatus of the barrel having the above-mentioned gap sensor and the wear measurement method of the barrel using the same.
도 18에 도시된 것과 같이, 간극센서(10)는 지지대(40)와 함께 포신(30)의 마모를 측정할 수 있는 포신의 마모 측정 장치(40)를 구성한다. 지지대(40)는 포신(30)의 외면에 접하는 외부 접촉부(42)와 포신(30)의 내부로 삽입되는 지지부(43)를 가지고 있다. 간극센서(10)는 지지부(43)에 고정된다. 간극센서(10)는 지지부(43)와 함께 포신(30)이 내부로 삽입되며, 포신(30)의 내면에 형성되어 있는 강선(31)의 높이 변화를 측정함으로써 포신(30)의 마모를 측정할 수 있다.As shown in FIG. 18, the
포신(30)의 마모를 측정하기 위해 먼저, 지지대(40)의 외부 접촉부(42)를 포신(30)의 외면에 접촉시키면서 간극센서(10)가 결합되어 있는 지지부(43)를 포신(30)의 내부에 삽입한다. 포신(30)은 원통 형상으로 이루어지고 그 내경이 일정하므로, 외부 접촉부(42)를 포신(30)의 외면에 접촉시킨 상태로 지지부(43)를 포신(30)의 내부로 삽입하면 간극센서(10)를 일정한 측정위치에 위치시킬 수 있다. 포신(30)의 마모 측정위치는 포신(30)의 마모가 가장 많이 발생하는 부분으로 강선(31)이 시작되는 부분의 12시 방향 또는 6시 방향인 것이 좋다. 물론, 측정위치는 다양하게 변경될 수 있다.In order to measure the wear of the
도 19에 도시된 것과 같이, 간극센서(10)는 그 기판(11)이 지지부(43)에 고정된 상태로 포신(30)의 내부로 삽입되며, 신축성 몸체(12)의 천장부(13) 표면은 인접하는 두 강선(31) 사이에 상대적으로 돌출되어 있는 측정 부분(32)에 접하여 압축된다. 이 상태에서 제 1 전극(16)과 제 2 전극(19)에 각각 전압을 공급하고 사격 전의 제 1 전극(16)과 제 2 전극(19) 사이에 발생된 정전용량을 측정한다. 이후, 간극센서(10)를 제거하고 사격을 실시한다. 그리고, 사격이 끝나면 지지대(40)를 이용하여 간극센서(10)를 동일한 측정위치에 위치시킨다.As shown in FIG. 19, the
도 20은 사격 후 포신(30)의 두 강선(31) 사이의 측정 부분(32)이 마모된 상태를 나타낸 것으로, 간극센서(10)를 마모된 측정 부분(32)에 위치시키면 신축성 몸체(12)는 이 측정 부분(32)에 접하여 압축된다. 이때, 신축성 몸체(12)의 탄성 변형량은 사격 전 동일한 측정 부분(32)에 의한 탄성 변형량보다 작다. 결과적으로 제 1 전극(16)과 제 2 전극(19) 사이의 간격은 사격 전의 측정 때보다 멀어지며, 제 1 전극(16)과 제 2 전극(19) 사이의 정전용량은 변하게 된다. 따라서, 제 1 전극(16)과 제 2 전극(19) 사이의 간격과 정전용량의 크기의 관계를 알고 있으면, 정전용량을 측정함으로써 포신(30)의 마모를 측정할 수 있는 것이다.20 shows a state in which the measuring
도 21은 제 1 전극(16)과 제 2 전극(19) 사이의 간격 변화에 따른 정전용량의 크기 변화를 알아보기 위한 실험장치를 개략적으로 나타낸 것이다. 실제 포 신(30)의 마모 측정은 간극센서(10)를 고정시키고 포신(30) 내면의 높이 변화에 따른 정전용량의 변화를 측정하는 것이나, 실험은 포신(30)의 내면을 고정시키고 간극센서(10)의 높이를 변화시키면서 간극센서(10)의 정전용량 변화를 측정한 것에 해당한다.FIG. 21 schematically illustrates an experimental apparatus for checking the change in capacitance due to the change in the distance between the
간극센서(10)는 나노 스테이지(50) 위에 고정되어 있으며, 간극센서(10)의 상부에는 고정부재(51)가 위치해 있다. 초기 상태에서 간극센서(10)는 고정부재(51)에 접하지 않으나, 나노 스테이지(50)가 작동하면 간극센서(10)는 고정부재(51) 쪽으로 상승하여 고정부재(51)에 접한다. 나노 스테이지(50)는 나노 스테이지 컨트롤러(52)에 의해 제어되어 간극센서(10)를 1㎛씩 상승시킨다. 간극센서(10)가 고정부재(51)에 접하여 변형될 때, 정전용량 측정기(53)가 간극센서(10)의 정전용량을 측정하고, 측정된 값은 컴퓨터(54)에 저장된다. 여기에서, 나노 스테이지 컨트롤러(52)로는 THORLABS사의 MDT693이 이용되었고, 정전용량 측정기(53)로는 Analog Devices사의 AD7745 Evaluation Board가 이용되었다.The
실험에 쓰인 간극센서(10)는 유리로 이루어진 기판(11)과 PDMS로 이루어진 신축성 몸체(12)를 가지고 있는 것이다. 신축성 몸체(12)는 그 천장부(13)의 두께가 180㎛, 네 개의 측벽부(14)의 두께가 200㎛, 홈(15)의 넓이가 5000㎛×7000㎛, 홈(15)의 깊이가 20㎛이다. 제 1 전극(16)은 크롬층 및 금층으로 이루어진 것으로, 그 넓이는 3000㎛×3000㎛이고, 크롬층 두께는 200Å, 금층 두께는 800Å이다. 제 2 전극(19)은 제 1 전극(16)과 같이 동일한 두께의 크롬층 및 금층으로 이루어지고, 그 넓이는 5000㎛×5000㎛이다. 연결단자(18)는 제 1 전극(16)과 동일한 두께 의 크롬층 및 금층으로 이루어지고, 그 넓이는 1000㎛×2000㎛이다.The
도 22 및 도 23에 나타나 있는 그래프는 실험 결과값을 나타낸 것이다. 그래프에 나타나 있듯이, 실험을 통해 1㎛ 변위에 대한 정전용량의 변화를 확인할 수 있었으며, 간극센서(10)는 분해능이 1㎛임을 확인할 수 있었다. 그리고 최소 사격발수로 포신(30)의 마모를 측정하기 위해서는 1㎛ ~ 12㎛의 마모 깊이 변화를 측정할 수 있어야 하는데, 실험에서 측정 가능한 변위의 범위는 대략 1㎛ ~ 30㎛로 그 조건을 만족함을 알 수 있었다.The graphs shown in FIGS. 22 and 23 show experimental results. As shown in the graph, the experiment was able to confirm the change in capacitance for 1㎛ displacement, the
실험에서 1㎛ 변위에 대해 정전용량 측정값을 반복하여 측정하고 반복 측정값 중에서 100개를 임의로 샘플링하여 평균을 구하고, 그 평균값과 나머지 값들의 오차를 확인한 결과, 간극센서(10)의 정전용량의 최대 오차는 약 35fF이고, 최대 변위 오차는 약 0.35㎛이었다. 도 23은 도 22에서 1㎛ ~ 12㎛ 변위에 해당하는 부분을 확대하여 나타낸 것이다. 도 23을 보면, 간극센서(10)의 정전용량 변화는 변위 1㎛ ~ 12㎛에서 선형적으로 나타남을 알 수 있다. 변형이 발생하지 않은 초기 상태에서 간극센서(10)의 정전용량은 약 2.75pF이고, 1㎛의 변위에 대해 약 100fF의 정전용량 변화를 보인다.In the experiment, the capacitance measurement value was repeatedly measured for a 1 μm displacement, and 100 of the repeated measurements were randomly sampled to obtain an average, and the error between the average value and the remaining values was confirmed. The maximum error was about 35 fF and the maximum displacement error was about 0.35 μm. FIG. 23 is an enlarged view of a portion corresponding to 1 μm to 12 μm displacement in FIG. 22. Referring to FIG. 23, it can be seen that the capacitance change of the
이렇게 실험을 통해 얻은 데이터를 이용하면, 사격 전후에 대한 간극센서(10)의 정전용량을 측정함으로써 포신(30)의 마모를 쉽게 측정할 수 있다. 예컨대, 도 23을 이용하면, 사격 전 간극센서(10)의 정전용량이 3.0pF이고 사격 후 간극센서(10)의 정전용량이 3.2pF일 경우, 사격에 의해 약 2㎛의 마모가 발생했음을 알 수 있다.Using the data obtained through the experiment, the wear of the
이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명에 의하면, 종래의 다이아몬드 인덴터법과 같이 마모 측정 시 포신(30)에 압흔을 남기지 않고 최소 사격발수로 포신(30)의 마모 변화를 측정해 낼 수 있다.As described above, according to the present invention, the wear change of the
본 발명에 있어서, 간극센서(10)는 상술한 것과 같은 포신의 마모 측정 장치(40) 뿐만이 아니라, 정밀한 동작이 요구되는 기계나 화력무기 등 마모 측정이 요구되는 다양한 분야에 응용될 수 있다.In the present invention, the
이상에서 설명한 본 발명은 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되지 않으며, 기재된 특허청구범위의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능하다.The present invention described above is not limited to the configuration and operation as shown and described, and various changes and modifications are possible within the spirit and scope of the appended claims.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 간극센서의 일부분을 분해하여 나타낸 분해 사시도이다.1 is an exploded perspective view showing a part of the gap sensor in accordance with an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 간극센서를 나타낸 사시도이다.2 is a perspective view showing a gap sensor according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 간극센서를 나타낸 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing a gap sensor according to an embodiment of the present invention.
도 4 내지 도 15는 본 발명의 일실시예에 의한 간극센서를 제조하는 과정을 나타낸 것이다.4 to 15 show a process of manufacturing a gap sensor according to an embodiment of the present invention.
도 16은 본 발명의 일실시예에 의한 간극센서의 제 2 전극을 확대하여 나타낸 사진이다.16 is an enlarged photograph of a second electrode of a gap sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 17은 본 발명의 일실시예에 의한 간극센서의 제 2 전극과 비교하여 일반적인 전극이 반복적인 수축 및 팽창 과정을 거치면서 갈라진 상태를 나타낸 사진이다.FIG. 17 is a photograph illustrating a split state of a general electrode through repeated contraction and expansion processes as compared with a second electrode of a gap sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 18은 본 발명의 일실시예에 의한 포신의 마모 측정 장치를 이용하여 포신의 마모를 측정하는 방법을 나타낸 것이다.Figure 18 shows a method of measuring the wear of the barrel using the wear measurement apparatus of the barrel according to an embodiment of the present invention.
도 19 및 도 20은 도 18에 도시된 포신의 마모 측정 장치를 이용하여 포신의 마모를 측정하는 과정을 나타낸 것이다.19 and 20 illustrate a process of measuring the wear of the barrel using the wear measurement apparatus of the barrel shown in FIG. 18.
도 21은 본 발명의 일실시예에 의한 간극센서의 변형에 따른 정전용량 변화를 측정하기 위한 실험장치를 나타낸 것이다.21 shows an experimental device for measuring the capacitance change according to the deformation of the gap sensor according to an embodiment of the present invention.
도 22 및 도 23은 본 발명의 일실시예에 의한 간극센서의 변형에 따른 정전용량 변화의 결과를 나타낸 그래프이다.22 and 23 are graphs showing the result of the capacitance change according to the deformation of the gap sensor according to an embodiment of the present invention.
♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명♣♣ Explanation of symbols for the main parts of the drawing ♣
10 : 간극센서 11 : 기판10: gap sensor 11: substrate
12 : 신축성 몸체 13 : 천장부12: elastic body 13: the ceiling
14 : 측벽부 15 : 홈14: side wall portion 15: groove
16, 19 : 제 1, 2 전극 17 : 단자16, 19: 1st, 2nd electrode 17: terminal
18 : 연결단자 20 : 신축성 단자18: connection terminal 20: elastic terminal
21 : 보호막 22 : 몰드용 기판21: protective film 22: substrate for mold
23 : 몰드 24 : 신축성 물질23
25 : 금속막 30 : 포신25
31 : 강선 32 : 측정 부분31: steel wire 32: measurement part
40 : 마모 측정 장치 41 : 지지대40
42 : 외부 접촉부 43 : 지지부42: external contact 43: support
50 : 나노 스테이지 51 : 고정부재50: nano stage 51: fixing member
52 : 나노 스테이지 컨트롤러 53 : 정전용량 측정기52: nano stage controller 53: capacitance measuring instrument
54 : 컴퓨터54: computer
Claims (22)
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JP2000111360A (en) * | 1998-10-07 | 2000-04-18 | Mitsutoyo Corp | Displacement-measuring device |
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2009
- 2009-01-15 KR KR1020090003295A patent/KR101119567B1/en not_active IP Right Cessation
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |