KR101416063B1 - 변형 측정 센서, 그 구조물 및 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 변형 측정 센서, 그 구조물 및 제조방법은, 서로 이격되어 나란히 형성된 복수의 빔, 빔의 양단과 연결되어 복수의 빔을 감싸 형성되며, 가장자리로부터 복수의 빔이 위치하는 내측으로 만곡되어 형성된 간섭 방지용 홈을 가지는 프레임, 및 빔에 부착되어 변형률을 측정하는 스트레인 게이지를 포함하며, 이를 통해 복수의 지점에 가해지는 압력 또는 전단력에 따른 변형률을 정밀하게 측정할 수 있고, 변형이 일어나는 지점 각각을 정확히 파악할 수 있다.

Description

변형 측정 센서, 그 구조물 및 제조방법 {Strain gauge sensor, strain gauge sensor structure and manufacturing method thereof}
본 발명은 변형 측정 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 지점에서의 압력 또는 전단력에 따른 변형을 보다 정밀하게 측정하면서 특정 지점의 압력에 의해 다른 지점에서 변형이 일어나는 것을 현저히 감소시킨 변형 측정 센서, 그 구조물 및 제조방법에 관한 것이다.
압력 센서는 특정 시스템에서 압력을 측정하는 소자로서 공업계측, 자동제어, 의료, 자동차 엔지니어, 환경제어, 전기용품 등 그 용도가 다양하고, 폭넓게 사용되는 센서이다. 압력 센서의 측정원리는 변위, 변형 등에 따른 전기적 변화를 측정하는 것으로 다양한 형태의 센서가 실용화되고 있다.
압력 센서의 유형에는 부로돈관이나 벨로우즈를 사용한 기계식 압력센서와, 스트레인 게이지를 사용한 압저항형 전자식 압력센서나, 두 개 물체 간의 정전용량의 변위를 측정하는 용량형의 전자식 압력센서 등이 있다. 특히 스트레인 게이지를 사용한 압저항형 센서는 성능이나 가격의 측면에서 우위에 있어 가장 많이 사용되고 있는 추세이다.
스트레인은 변형도 또는 변형률을 나타내는 용어로서, 어느 물체가 인장 또는 압축을 받을 때 원래의 길이에서 늘어나거나 줄어든 길이를 비율로 표시한 것이고, 토목공학, 기계공학, 항공공학, 전자공학 등 구조물이나 기계요소의 해석을 다루는 분야에서 구조물이나 기계요소가 외부의 힘을 받아 변형이 발생할 때 사용하는 용어이다. 스트레인 게이지는 이러한 스트레인에 의하여 구조물이 변형되는 상태와 그 양을 측정하기 위하여 구조물의 표면에 부착하는 게이지로서, 구조물이 변형되는 양을 저항으로 변화하여 측정하는 전기식 스트레인 게이지와 변형되는 구조물의 거리변화를 기계적으로 측정하는 기계식 스트레인 게이지가 있다.
전기식 스트레인 게이지의 소자는 저항 변화가 큰 금속을 사용하는데, 저항 변화가 큰 금속을 사용하는 경우 절연체 위에 와이어 또는 포일 형태로 저항선을 만들어서 저항을 측정한다.
이러한 스트레인 게이지가 구비된 센서는 기계 등의 고장이나 안전 사고를 방지하고, 사용자로 하여금 돌발 상황을 신속하게 인식하여 대응할 수 있도록 한다. 그리고 이러한 센서는 그 부피가 작을수록 다른 구동 파트에 영향을 안 미치고 공간 효율을 좋게 할 수 있다.
이에 소형이면서도 그 제작이 간편하고 압력 등에 따른 변형을 정밀하게 감지할 수 있는 센서가 요청된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 압력 또는 전단력에 따른 변형을 정밀하게 측정할 수 있으면서도, 특정 지점에서의 압력 또는 전단력에 따른 변형이 발생하는 경우 다른 지점에서 간섭을 받는 현상을 현저히 감소시킨 변형 측정 센서, 그 구조물 및 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 변형 측정 센서는, 서로 이격되어 나란히 형성된 복수의 빔, 상기 빔의 양단과 연결되어 상기 복수의 빔을 감싸 형성되고, 가장자리로부터 상기 복수의 빔이 위치하는 내측으로 만곡되어 형성된 간섭 방지용 홈을 가지는 프레임, 및 상기 빔에 부착되어 상기 빔의 변형률을 측정하는 스트레인 게이지를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 변형 측정 센서에 있어서, 상기 간섭 방지용 홈은 상기 빔이 상기 프레임과 연결되는 양단과 대응되는 부분에 형성되거나 상기 빔의 양단과 엇갈리도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 변형 측정 센서에 있어서, 상기 간섭 방지용 홈은 단일 간섭 방지용 홈에서 상기 프레임의 일면으로부터 상기 프레임의 타면으로의 수직 길이 방향으로, 상기 복수의 빔이 위치하는 내측으로의 만곡된 정도가 일정하지 않은 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 변형 측정 센서에 있어서, 상기 간섭 방지용 홈에서 특정 간섭 방지용 홈은 다른 간섭 방지용 홈과, 상기 복수의 빔이 위치하는 내측으로의 만곡된 정도가 일치하지 않은 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 변형 측정 센서에 있어서, 상기 간섭 방지용 홈은 'U'형상, 'V'형상 또는 'ㄷ'형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 변형 측정 센서에 있어서, 상기 간섭 방지용 홈은 상기 스트레인 게이지의 배선용 홈으로 이용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 변형 측정 센서에 있어서, 상기 빔은 각기둥, 원기둥, 끝단이 절단된 각뿔, 양단이 다른 부분보다 두께가 얇은 기둥, 양단이 다른 부분보다 두께가 굵은 기둥 및 길이 방향으로 하나 이상의 구배 형상을 가지는 기둥 중 하나 이상의 형상을 한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 변형 측정 센서에 있어서, 상기 스트레인 게이지는 상기 빔의 상부면, 하부면 및 양 측면 중 하나 이상의 면에 부착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 변형 측정 센서에 있어서, 상기 프레임 또는 상기 빔은 철강, 니켈-크롬-몰리브덴 강, 스테인레스 강, 공구강, 경화 스테인레스 강, 알루미늄 합금 또는 두랄루민 소재로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 변형 측정 센서는, 상기 스트레인 게이지가 측정한 변형률에 따른 신호를 처리하는 신호 처리 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 변형 측정 센서에 있어서, 상기 신호 처리 모듈은, 상기 스트레인 게이지로부터 전달된 신호를 증폭하는 증폭부, 상기 증폭부가 전달한 신호를 디지털화하는 신호 처리부, 및 상기 반도체형 스트레인 게이지들의 오프셋을 조정하는 오프셋 조정부 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 변형 측정 센서 구조물은, 서로 이격되어 나란히 형성되어 변형률 측정을 위한 스트레인 게이지가 부착되는 복수의 빔, 및 상기 빔의 양단과 연결되어 상기 복수의 빔을 감싸 형성되고, 가장자리로부터 상기 복수의 빔이 위치하는 내측으로 만곡되어 형성된 간섭 방지용 홈을 가지는 프레임을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 변형 측정 센서 구조물에 있어서, 상기 간섭 방지용 홈은 상기 빔이 상기 프레임과 연결되는 양단과 대응되는 부분에 형성되거나 상기 빔의 양단과 엇갈리도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 변형 측정 센서 구조물에 있어서, 상기 간섭 방지용 홈은 단일 간섭 방지용 홈에서 상기 프레임의 일면으로부터 상기 프레임의 타면으로의 수직 방향으로, 상기 복수의 빔이 위치하는 내측으로의 만곡된 정도가 일치하지 않은 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 변형 측정 센서 제조방법은, 평면 형태의 구조물에 길이 방향으로 이격되어 위치한 관통 공간을 뚫어, 서로 이격되어 나란히 위치한 복수의 빔과, 상기 빔의 양단과 연결되어 상기 복수의 빔을 감싸는 형태를 가지는 프레임을 형성하는 단계, 상기 프레임에 가장자리로부터 상기 복수의 빔이 위치하는 내측으로 만곡된 간섭 방지용 홈을 형성하는 단계, 및 상기 빔의 상부면, 하부면 및 양 측면 중 하나 이상의 면에 스트레인 게이지를 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 변형 측정 센서, 그 구조물 및 제조방법에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫째, 복수의 지점에 가해지는 압력 또는 전단력에 따른 변형률을 정밀하게 측정할 수 있고, 변형이 일어나는 지점 각각을 정확히 파악할 수 있다.
둘째, 특정 지점에서의 압력 또는 전단력에 따른 변형이 발생하는 경우 다른 지점에서 간섭을 받는 현상이 현저히 방지된다.
셋째, 지지빔 형태의 변형 구조물을 채용하여 비교적 작은 크기의 압력 또는 전단력에 대하여도 변형이 크게 발생하게 되며, 이에 따라 변형 구조물을 소형으로 제작할 수 있어 센서의 전체 크기가 줄어든다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 변형 측정 센서의 평면 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 변형 측정 센서의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 변형 측정 센서의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 변형 측정 센서의 평면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 변형 측정 센서의 A-A' 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 변형 측정 센서의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 제5실시예에 따른 변형 측정 센서의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제5실시예에 따른 신호 처리 모듈의 구성도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 측정 센서의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 서로 이격되어 나란히 형성된 빔과 해당 빔을 둘러싼 프레임을 소형으로 제작하여 압력 또는 전단력에 따른 빔의 변형을 정밀하게 측정할 수 있으면서도, 프레임의 가장자리에서 빔 방향으로 만곡 형성된 간섭 방지용 홈을 이용하여, 특정 지점에서의 압력 또는 전단력에 따른 변형이 발생하는 경우 다른 지점에서 간섭을 받는 현상을 현저히 감소시킨 변형 측정 센서, 그 구조물 및 제조방법을 제공하기 위한 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 변형 측정 센서(100)의 평면 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 변형 측정 센서(100)의 평면도이며, 도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 변형 측정 센서(200)의 평면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 제1실시예의 변형 측정 센서(100, 200)는 프레임(110), 복수의 빔(120), 스트레인 게이지(130)를 포함한다.
프레임(110)은 중앙에 관통된 공간을 가지고 복수의 빔(120)을 감싸는 형태를 가진다.
복수의 빔(120)은 압력 또는 전단력에 따른 변형 구조물로서 프레임(110)의 관통된 형상에 뚫린 공간(121)을 두고 지지빔 형태로 형성된다. 이때, 복수의 빔(120) 각각은 서로 이격되어 나란히 위치한다. 이때, 복수의 빔(120)은 프레임(110)보다 두께가 상대적으로 얇아 압력이나 전단력에 따른 변형이 용이하도록 구성될 수 있다.
스트레인 게이지(130)는 복수의 빔(120)에 부착되어 빔(120) 각각의 변형률을 측정한다. 이때, 스트레인 게이지(130)는 빔(120)의 상부면, 하부면 및 양 측면 중 하나 이상의 면에 부착될 수 있다. 예를 들어, 스트레인 게이지(130)가 빔(120)의 상부면 또는 하부면에 위치하는 경우 Y축 방향인 수직 방향의 압력에 따른 변형률을 측정할 수 있고, 스트레인 게이지(130)가 빔(120)의 측면에 위치하는 경우 X축 방향인 수평 방향의 전단력에 따른 변형률을 측정할 수 있다.
제1실시예 및 제2실시예의 변형 측정 센서(100, 200)에서 프레임(110)은, 가장자리로부터 빔(120)이 위치하는 내측으로 만곡되어 형성된 간섭 방지용 홈(111, 112)을 가진다. 도 1 내지 도 2에 도시된 제1실시예에서 간섭 방지용 홈(111)은, 프레임(110)과 연결되는 빔(120)의 양단과 엇갈리도록 형성되어 있고, 도 3에 도시된 제2실시예에서 간섭 방지용 홈(112)은 프레임(110)과 연결되는 빔(120)의 양단에 대응되도록 형성된다. 또한 본 발명에서는 실시예에 따라, 프레임(110)의 가장자리에 놓인 간섭 방지용 홈(111, 112)의 위치가 달라질 수 있다.
예를 들어, 변형 측정 센서(100, 200)에 Y축 방향인 수직 방향의 압력이나 X축 방향인 수평 방향의 전단력이 가해지는 경우 압력 또는 전단력이 가해진 빔(120) 뿐만 아니라 다른 빔(120)에도 인장 또는 압축에 따른 변형이 일어나는 간섭 현상이 발생한다. 만일, 변형 측정 센서(100, 200) 내 복수의 지점에 압력이나 전단력이 가해지는 경우라면, 이러한 간섭에 따라 어느 빔(120)에 압력이나 전단력이 가해지고 있는지를 정확하게 알기 어렵다.
이에 제1실시예 및 제2실시예의 프레임(110)은 가장자리로부터 빔(120)이 위치하는 내측으로 만곡되어 형성된 간섭 방지용 홈(111, 112)을 구비하여, 특정 빔(120)에 압력이나 전단력이 가해지는 경우 다른 빔(120)에 인장 또는 압축이 일어나는 것을 방지한다. 이를 통해 압력이나 전단력이 가해지는 지점을 정확히 파악할 수 있게 되며, 복수의 압력 또는 전단력이 가해지는 경우에는 복수의 지점 각각을 파악하는 것이 가능하다.
도 1 내지 도 3에서 간섭 방지용 홈(111, 112)은 빔(120) 방향으로 만곡 형성된 'U' 형상을 가지는 데, 본 발명의 간섭 방지용 홈(111, 112)은, 예를 들어, 'U'형상, 'V'형상 또는 'ㄷ'형상 등 각 빔(120) 간의 인장 또는 압축에 따른 간섭을 최소화 할 수 있는 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
변형 측정 센서(100, 200)에서 빔(120)은 양단이 프레임(110)에 연결되므로 그 중앙에서 압력에 따른 변형률이 가장 크다. 이에 따라 스트레인 게이지(130)의 측정 중심은 각 빔(120)의 중앙에 위치하는 것이 바람직하다.
변형 측정 센서(100, 200)에서 빔(120)은 압력이나 전단력에 따른 변형률을 측정하기 용이한, 각기둥, 원기둥, 끝단이 절단된 각뿔, 양단이 다른 부분보다 두께가 얇은 기둥, 양단이 다른 부분보다 두께가 굵은 기둥, 길이 방향으로 하나 이상의 구배 형상을 가지는 기둥 등 다양한 형상을 가질 수 있다.
스트레인 게이지(130)가 측정한 신호를 전달하는 배선(131)은 간섭 방지용 홈(111, 112), 프레임(110)에 위치한 배선용 홀이나 프레임(110)의 테두리, 복수의 빔(120) 간에 위치한 관통 공간을 통해 기판의 후면 또는 내부의 도체회로에 연결된다.
제1실시예 및 제2실시예의 변형 측정 센서(100, 200)에서 복수의 빔(120) 형상은 서로 이격되어 위치하고, 양단이 프레임(110)과 연결된 구조를 가진다. 이에 따라, 통상의 평면 형태 기판에 스트레인 게이지(130)를 부착하여 변형률을 측정하는 경우에 비해 압력 또는 전단력에 따른 변형률이 상대적으로 커진다. 따라서 변형 측정 센서(100, 200)에서는 압력 또는 전단력에 따른 변형 구조물인 빔(120)을 소형으로 제작할 수 있고, 이는 변형 측정 센서(100, 200)의 전체적인 크기가 줄어드는 효과를 제공한다.
종래와 같이 평면 형태의 기판 상에 스트레인 게이지를 위치시켜 압력에 따른 변형률을 측정하는 경우, 압력에 따른 변형률이 전체적으로 크지 않아 측정 정확도가 떨어진다. 또한, 기판의 가장자리에서는 변형률이 상대적으로 작은 반면 기판의 중앙부에서는 변형률이 상대적으로 커, 기판의 중앙부에 스트레인 게이지를 위치시키는 것이 측정에 유리하므로 다 지점에서 압력을 측정하는 것이 어렵다.
반면 제1실시예 및 제2실시예의 변형 측정 센서(100, 200)는 복수의 빔(120) 형상을 가지므로, 간섭이 방지된 각 빔(120)에서의 변형률을 비교하여 각 빔(120) 중 어느 부분에 압력 또는 전단력이 가해지고 있는지를 감지할 수 있다. 즉, 변형 측정 센서(100, 200)에서는 복수의 지점에 가해지는 압력이나 전단력에 따른 변형률을 정확하게 측정할 수 있고, 각 빔(120)의 중앙부에 위치한 스트레인 게이지(130)의 변형률 측정 성능이 비교적 균일하게 되는 장점이 있다.
변형 측정 센서(100, 200)에서 프레임(110) 또는 빔(120)은 철강, 니켈-크롬-몰리브덴 강, 스테인레스 강, 공구강, 경화 스테인레스 강, 알루미늄 합금 또는 두랄루민 등의 소재로 이루어질 수 있으며, 각 소재의 물성치에 따라 여러 다양한 소재를 채택하는 것이 가능하다.
본 발명의 제3실시예에 따른 변형 측정 센서(300)의 기능 및 동작에 대해서는 도 4 및 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 변형 측정 센서(300)의 평면도이고, 도 5는 도 4에 도시된 변형 측정 센서(300)의 A-A' 단면도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 도 4 및 도 5에서 변형 측정 센서(300)는 프레임(110), 복수의 빔(120), 스트레인 게이지(130)를 포함한다.
제3실시예의 변형 측정 센서(300)에 포함된 각 구성의 기능 및 역할은, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 제1실시예 및 제2실시예의 변형 측정 센서(100, 200)와 유사하므로, 이하에서는 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
제3실시예의 변형 측정 센서(300)에서 프레임(110)은, 가장자리로부터 빔(120)이 위치하는 내측으로 만곡되어 형성된 간섭 방지용 홈(113)을 가진다.
이때, 간섭 방지용 홈(113)은 단일 간섭 방지용 홈(113)에서 프레임(110)의 일면으로부터 프레임(110)의 타면으로의 수직 길이 방향으로, 복수의 빔(120)이 위치하는 내측으로의 만곡된 정도가 일정하지 않다.
도 4 및 도 5에서 간섭 방지용 홈(113)은, 압력 또는 전단력에 따른 빔(120) 간 간섭을 최소화하도록, 프레임(110)의 일면으로부터 프레임(110)의 타면으로의 수직 길이 방향 중앙부가, 프레임(110)의 바깥으로 돌출되도록 형성되어 있다. 즉, 간섭 방지용 홈(113)은 프레임(110)의 일면으로부터 수직 길이 방향으로, 중앙부가 프레임의 바깥으로 돌출되다가 다시 들어가는 경사를 가진다.
다만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니며, 간섭 방지용 홈(113)은 압력 또는 전단력에 따른 빔(120)간 간섭을 최소화하도록, 수직 길이 방향 중앙부가 프레임(110)의 안쪽으로 함몰되도록 형성되거나, 수직 길이 방향으로 일정 부분이 구배 형상을 가지도록 형성될 수 있다.
본 발명의 제4실시예에 따른 변형 측정 센서(400)의 기능 및 동작에 대해서는 도 6을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 도 6에서 변형 측정 센서(400)는 프레임(110), 복수의 빔(120), 스트레인 게이지(130)를 포함한다.
제4실시예의 변형 측정 센서(400)에 포함된 각 구성의 기능 및 역할은, 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 제1실시예, 제2실시예 및 제3실시예의 변형 측정 센서(100, 200, 300)와 유사하므로, 이하에서는 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
제4실시예의 변형 측정 센서(400)에서 프레임(110)은, 가장자리로부터 빔(120)이 위치하는 내측으로 만곡되어 형성된 간섭 방지용 홈(114, 115)을 가진다.
도 6에서 간섭 방지용 홈(114, 115)은, 압력 또는 전단력에 따른 빔(120) 간 간섭을 최소화하도록, 특정 간섭 방지용 홈(114)이 다른 간섭 방지용 홈(115)과, 복수의 빔(120)이 위치하는 내측으로의 만곡된 정도가 일치하지 않는다. 즉, 간섭 방지용 홈(114)은 프레임(110)의 내측 방향으로 상대적으로 많이 만곡되어 있는 반면, 간섭 방지용 홈(115)은 프레임(110)의 내측 방향으로 상대적으로 적게 만곡되어 있다.
다만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니며, 간섭 방지용 홈(114, 115)은 압력 또는 전단력에 따른 빔(120)간 간섭을 최소화하도록, 각 간섭 방지용 홈이 프레임(110)의 내측으로 만곡된 정도가 서로 달리 정해질 수 있으며, 예를 들어, 특정 간섭 방지용 홈(114)이 다른 간섭 방지용 홈(115)보다 상대적으로 적게 프레임(110)의 내측으로 만곡될 수 있다.
본 발명의 제5실시예에 따른 변형 측정 센서(500)의 기능 및 동작에 대해서는 도 7 및 도 8을 참조하여 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 제5실시예에 따른 변형 측정 센서(500)의 구성도이고, 도 8은 본 발명의 변형 측정 센서(500)에 포함된 신호 처리 모듈(140)의 구성도이다.
도 7을 참조하면, 변형 측정 센서(500)는 프레임(110), 복수의 빔(120), 스트레인 게이지(130) 및 신호 처리 모듈(140)을 포함한다.
프레임(110)은 중앙에 관통된 공간을 가지고 복수의 빔(120)을 감싸는 형태를 가진다. 이때, 프레임(110)의 가장자리에는 빔(120)의 양단 방향인 내측으로 만곡 형성된 간섭 방지용 홈(111)이 위치하여, 특정 빔(120)에 가해지는 압력이나 전단력 따라 다른 빔(120)이 간섭을 받는 것을 방지한다.
이때, 간섭 방지용 홈(111)은 'U'형상, 'V'형상 또는 'ㄷ'형상 등으로 이루어질 수 있으며, 간섭 방지용 홈(111)은 프레임(110)과 연결되는 빔(120)의 양단과 대응되는 부분에 형성될 수 있고, 빔(120)의 양단과 엇갈리도록 형성될 수도 있다.
또한 간섭 방지용 홈(111)은 단일 간섭 방지용 홈(111)에서 프레임(110)의 일면으로부터 프레임(110)의 타면으로의 수직 길이 방향으로, 복수의 빔(120)이 위치하는 내측으로의 만곡된 정도가 일정하지 않을 수 있다.
더하여 간섭 방지용 홈(111)에서 특정 간섭 방지용 홈은 다른 간섭 방지용 홈과, 복수의 빔(120)이 위치하는 내측으로의 만곡된 정도가 일치하지 않을 수 있다.
복수의 빔(120)은 프레임(110)의 관통된 형상에 지지빔 형태로 형성된다. 이때, 복수의 빔(120) 각각은 서로 이격되어 나란히 위치한다. 빔(120)은 예를 들어, 각기둥, 원기둥, 끝단이 절단된 각뿔, 양단이 다른 부분보다 두께가 얇은 기둥, 양단이 다른 부분보다 두께가 굵은 기둥 및 길이 방향으로 하나 이상의 구배 형상을 가지는 기둥 등 변형률 측정이 용이한 다양한 형상을 가질 수 있다.
그리고 프레임(110) 또는 빔(120)은 물성치를 고려하여 철강, 니켈-크롬-몰리브덴 강, 스테인레스 강, 공구강, 경화 스테인레스 강, 알루미늄 합금 또는 두랄루민 소재로 이루어질 수 있다.
스트레인 게이지(130)는 복수의 빔(120)에 위치하여 빔(120) 각각의 변형률을 측정한다. 이때, 스트레인 게이지(130)는 빔(120)의 상부면, 하부면 또는 양측면 중 어느 하나 이상에 위치하여 압력 또는 전단력에 따른 변형률을 측정한다.
스트레인 게이지(130)의 배선(131)은 간섭 방지용 홈(111)을 통해 기판의 후면이나 내부의 도체회로와 연결되며, 또한 배선(131)은 별도의 배선용 홀 등을 통해 기판의 후면이나 내부의 도체회로와 연결될 수도 있다.
신호 처리 모듈(140)은 스트레인 게이지(130)의 신호를 처리하는 구성이다.
제5실시예의 변형 측정 센서(500)에서 신호 처리 모듈(140)은 변형 측정 센서(500)와 동일한 기판상에 존재하며, 기판의 도체회로를 통해 스트레인 게이지(130)가 측정한 변형률 측정 신호를 전달받는다. 이와 같이 단일 기판 상에 위치한 변형 측정 센서(500)의 구성은 신호 처리 모듈(140)을 포함한 변형 측정 센서(500)의 제작을 용이하게 한다. 다만 실시예에 따라서는 신호 처리 모듈(140)이 별도의 기판 상에 위치할 수도 있다.
도 8을 참조하면, 신호 처리 모듈(140)은 증폭부(141), 신호 처리부(142), 오프셋 조정부(143)를 포함한다.
증폭부(141)는 박막의 반도체 등으로 형성되는 스트레인 게이지(130)의 신호를 증폭하는데, 이를 통해 스트레인 게이지(130)의 소신호가 적절히 분석할 수 있을 정도로 증폭된다. 이렇게 증폭된 신호는 신호 처리부(142) 또는 오프셋 조정부(143)로 전달된다.
신호 처리부(142)는 증폭부(141)로부터 증폭된 신호를 수신하여 디지털화하는 구성이다. 즉, 스트레인 게이지(130)가 센싱 정보를 전달하면 신호 처리부(142)는 해당 센싱 정보들을 디지털화하여 복수의 빔(120)에 발생한 압력을 수치화하도록 제어할 수 있다.
오프셋 조정부(143)는 스트레인 게이지(130)의 센싱 정보 오프셋을 처리하는 구성이다. 예를 들어, 박막의 반도체 타입의 스트레인 게이지(130)는 복수의 빔(120)에 부착되는 과정에서 변형이 발생할 수 있다. 이에, 스트레인 게이지(130)는 압력이 가해지지 않은 상태에서 저항 센싱을 수행하고, 오프셋 조정부는 이러한 센싱 결과에 따라 초기화를 지원한다. 이러한 과정을 통해 압력에 따른 변형률을 측정할 때의 측정 오류를 개선할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 측정 센서의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 먼저 변형 측정 센서의 구조물을 이루는 복수의 빔과 프레임을 형성한다(S10).
이때, 복수의 빔과 프레임은 물성치를 고려하여 철강, 니켈-크롬-몰리브덴 강, 스테인레스 강, 공구강, 경화 스테인레스 강, 알루미늄 합금 또는 두랄루민 소재 등으로 이루어질 수 있다.
단계(S10)에서는 예를 들어, 평면 형상의 소재에 이격된 관통 공간을 뚫어 해당 공간을 기준으로 나누어지는 복수의 빔과 프레임을 형성할 수 있다. 또한, 형상 가공을 통해 복수의 빔 및 프레임을 형성할 수도 있는데, 이때 복수의 빔은 각기둥, 원기둥, 끝단이 절단된 각뿔, 양단이 다른 부분보다 두께가 얇은 기둥, 양단이 다른 부분보다 두께가 굵은 기둥 및 길이 방향으로 하나 이상의 구배 형상을 가지는 기둥 중 하나 이상의 형상을 가지도록 하여 변형률 측정이 용이하도록 할 수 있다.
이때, 복수의 빔은 프레임보다 두께가 상대적으로 얇아 압력이나 전단력에 따른 변형이 상대적으로 용이할 수 있다.
이후, 프레임의 가장자리로부터 복수의 빔이 위치하는 내측으로 만곡된 간섭 방지용 홈을 형성한다(S20).
예를 들어, 간섭 방지용 홈은 프레임이 형상 가공되는 경우 해당 프레임과 함께 형성될 수 있고, 가공된 프레임을 깎아 형성될 수도 있다.
간섭 방지용 홈은 특정 빔에 압력 등이 가해지는 경우 다른 빔이 간섭을 받아 변형이 일어나는 것을 최소화 하는데, 간섭 방지용 홈은 빔이 프레임과 연결되는 양단과 대응되는 부분에 형성되거나, 빔의 양단과 엇갈리도록 형성될 수 있다.
이때, 간섭 방지용 홈은 'U'형상, 'V'형상 또는 'ㄷ'형상으로 형성될 수 있다.
또한 간섭 방지용 홈은 단일 간섭 방지용 홈에서 프레임의 일면으로부터 프레임의 타면으로의 수직 길이 방향으로, 복수의 빔이 위치하는 내측으로의 만곡된 정도가 일정하지 않을 수 있다.
더하여 간섭 방지용 홈에서 특정 간섭 방지용 홈은 다른 간섭 방지용 홈과, 복수의 빔이 위치하는 내측으로의 만곡된 정도가 일치하지 않을 수 있다.
그리고 변형 구조물인 빔의 상부면, 하부면, 또는 양 측면 중 하나 이상에 스트레인 게이지를 부착한다(S30).
빔의 상부면이나 하부면에 스트레인 게이지를 부착하는 경우에는 수직 방향의 압력에 따른 변형률을 측정할 수 있고, 측면에 스트레인 게이지를 부착하는 경우에는 수평 방향의 전단력에 따른 변형률을 측정할 수 있다.
이때, 간섭 방지용 홈은, 특정 빔에 압력이나 전단력이 가해지는 경우 다른 빔이 이에 간섭을 받아 변형되는 것을 방지한다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다. 또한, 본 명세서와 도면에서 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
100, 200, 300, 400, 500: 변형 측정 센서
110: 프레임
111, 112, 113, 114, 115: 간섭 방지용 홈
120: 빔
121: 공간
130: 스트레인 게이지
131: 배선
140: 신호 처리 모듈
141: 증폭부
142: 신호 처리부
143: 오프셋 조정부

Claims (15)

  1. 서로 이격되어 나란히 형성된 복수의 빔;
    상기 빔의 양단과 연결되어 상기 복수의 빔을 감싸 형성되고, 가장자리로부터 상기 복수의 빔이 위치하는 내측으로 만곡되어 형성된 간섭 방지용 홈을 가지는 프레임; 및
    상기 빔에 부착되어 상기 빔의 변형률을 측정하는 스트레인 게이지;
    를 포함하고,
    상기 간섭 방지용 홈은 상기 빔이 상기 프레임과 연결되는 양단과 대응되는 부분에 형성되거나 상기 빔의 양단과 엇갈리도록 형성되는 것을 특징으로 하는 변형 측정 센서.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 간섭 방지용 홈은 단일 간섭 방지용 홈에서 상기 프레임의 일면으로부터 상기 프레임의 타면으로의 수직 길이 방향으로, 상기 복수의 빔이 위치하는 내측으로의 만곡된 정도가 일정하지 않은 것을 특징으로 하는 변형 측정 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 간섭 방지용 홈에서 특정 간섭 방지용 홈은 다른 간섭 방지용 홈과, 상기 복수의 빔이 위치하는 내측으로의 만곡된 정도가 일치하지 않은 것을 특징으로 하는 변형 측정 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 간섭 방지용 홈은 'U'형상, 'V'형상 또는 'ㄷ'형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 변형 측정 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 간섭 방지용 홈은 상기 스트레인 게이지의 배선용 홈으로 이용되는 것을 특징으로 하는 변형 측정 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 빔은 각기둥, 원기둥, 끝단이 절단된 각뿔, 양단이 다른 부분보다 두께가 얇은 기둥, 양단이 다른 부분보다 두께가 굵은 기둥 및 길이 방향으로 하나 이상의 구배 형상을 가지는 기둥 중 하나 이상의 형상을 한 것을 특징으로 하는 변형 측정 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 스트레인 게이지는 상기 빔의 상부면, 하부면 및 양 측면 중 하나 이상의 면에 부착되는 것을 특징으로 하는 변형 측정 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 프레임 또는 상기 빔은 철강, 니켈-크롬-몰리브덴 강, 스테인레스 강, 공구강, 경화 스테인레스 강, 알루미늄 합금 또는 두랄루민 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 변형 측정 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스트레인 게이지가 측정한 변형률에 따른 신호를 처리하는 신호 처리 모듈;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변형 측정 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 신호 처리 모듈은
    상기 스트레인 게이지로부터 전달된 신호를 증폭하는 증폭부;
    상기 증폭부가 전달한 신호를 디지털화하는 신호 처리부; 및
    상기 스트레인 게이지의 오프셋을 조정하는 오프셋 조정부;
    중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형 측정 센서.
  12. 서로 이격되어 나란히 형성되어 변형률 측정을 위한 스트레인 게이지가 부착되는 복수의 빔; 및
    상기 빔의 양단과 연결되어 상기 복수의 빔을 감싸 형성되고, 가장자리로부터 상기 복수의 빔이 위치하는 내측으로 만곡되어 형성된 간섭 방지용 홈을 가지는 프레임;
    을 포함하고,
    상기 간섭 방지용 홈은 상기 빔이 상기 프레임과 연결되는 양단과 대응되는 부분에 형성되거나 상기 빔의 양단과 엇갈리도록 형성되는 것을 특징으로 하는 변형 측정 센서 구조물.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서,
    상기 간섭 방지용 홈은 단일 간섭 방지용 홈에서 상기 프레임의 일면으로부터 상기 프레임의 타면으로의 수직 방향으로, 상기 복수의 빔이 위치하는 내측으로의 만곡된 정도가 일치하지 않은 것을 특징으로 하는 변형 측정 센서 구조물.
  15. 평면 형태의 구조물에 길이 방향으로 이격되어 위치한 관통 공간을 뚫어, 서로 이격되어 나란히 위치한 복수의 빔과, 상기 빔의 양단과 연결되어 상기 복수의 빔을 감싸는 형태를 가지는 프레임을 형성하는 단계;
    상기 프레임에 가장자리로부터 상기 복수의 빔이 위치하는 내측으로 만곡된 간섭 방지용 홈을 형성하는 단계; 및
    상기 빔의 상부면, 하부면 및 양 측면 중 하나 이상의 면에 스트레인 게이지를 부착하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 간섭 방지용 홈은 상기 빔이 상기 프레임과 연결되는 양단과 대응되는 부분에 형성되거나 상기 빔의 양단과 엇갈리도록 형성되는 것을 특징으로 하는 변형 측정 센서 제조방법.
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