KR101441787B1 - 이동식 압축시험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생체 조직이나 재료 등에 대한 역학적 특성 분석을 위한 이동식 압축측정장치에 관한 것으로, 내부에 공간이 형성되는 막대형의 몸체; 상기 몸체의 일 측에 구비된 모터; 상기 모터의 회전수를 감속하는 감속기; 상기 감속기와 연결되며 상기 감속기의 회전운동에 의해 전후 방향으로 이동하는 이송 부재를 내부에 구비한 실린더; 상기 이송 부재의 일단과 접촉하여 이송 부재의 힘을 전달받는 압축 지그; 및 상기 몸체의 타 측에 장착되며, 상기 압축 지그에 가해지는 힘에 따라 상기 이송 부재와 접촉하는 압축 지그의 접촉 면에 있는 시험 대상시료의 하중을 측정하는 로드 셀을 포함하여 구성된다. 이와 같은 본 발명에 따르면, 시험대상 시료를 이동하지 않고서도 이동 가능한 압축시험장치를 통해 측정이 가능하기 때문에 측정 결과의 신뢰성이 향상되는 이점이 있다.

Description

이동식 압축시험장치{PORTABLE COMPRESSING TEST APPARATUS}

본 발명은 압축시험장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 생체 조직이나 재료 등의 역학적 특성 분석을 위해 사용되는 시험장치의 구조를 개선한 이동식 압축시험장치에 관한 것이다.

생체 조직이나 재료 등의 시험은 바이오 메케닉스(Bio Mechanics) 분야에 있어서 다양하고 독특한 특성들을 보여준다. 특히 생체 조직이나 재료 등은 섬세한 시편들이어서 각종 시험시에 낮은 하중과 작은 변형에도 극도로 민감한 시험장비를 필요로 한다.

시험의 일 예로 생체재료 등에 대한 압축시험을 들 수 있는데, 이를 통해 생체재료에 대한 하중과 변위를 측정하여 스트레스 및 스트레인 등을 산출할 수 있다. 그리고 이러한 생체재료의 특성 분석을 위해 현재 사용되는 시험장비로는 만능 재료 시험기(UTM : Universal Test Machine)가 많이 이용된다.

하지만, 상기의 만능 재료 시험기는 일반적으로 큰 부피와 중량이 무겁고 가격이 비싸다. 이는 그만큼 만능 재료 시험기의 설치공간에 제약이 초래되며 이동이 용이하지 않는 문제를 초래한다. 또한 비싼 가격으로 인해 초기 설치 비용이 많이 들고, 고장 등의 장애발생시에 이에 대한 유지 보수 비용이 증대된다.

무엇보다 종래 생체 재료를 시험하는 만능 재료 시험기는 상술한 바와 같이 이동이 용이하지 않기 때문에 시험 대상 시료를 만능 재료 시험기 측으로 이동해야 한다. 그러나 시험 대상시료는 주변 환경의 변화에 민감한 재료들이고 이를 만능 재료 시험기기 설치된 시험 장소로 옮길 경우, 시험 대상 시료가 변형될 가능성도 있다. 물론 시험장소가 시료를 시험할 최적의 조건을 갖춘 장소라 하더라도, 시험장소까지의 이동 시간 동안 시험대상 시료가 초기 상태에서 변형될 수 있다. 이는 시험대상 시료의 역학적 특성 분석에 대한 결과를 신뢰하지 못하는 결과를 낳게 된다.

한국공개특허 2008-0078140 일본공개특허 2000-298086

본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 시험대상 시료의 변질 가능성을 최소화하면서도 최적 조건에서 시험대상 시료를 시험할 수 있도록 하는 이동식 압축시험장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 설치 및 이동의 공간적인 제약 없이 시험대상 시료의 역학적 특성 분석을 할 수 있도록 그 구조를 개선한 이동식 압축시험장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 내부에 공간이 형성되는 막대형의 몸체; 상기 몸체의 일 측에 구비된 모터; 상기 모터의 회전수를 감속하는 감속기; 상기 감속기와 연결되며 상기 감속기의 회전운동에 의해 전후 방향으로 이동하는 이송 부재를 내부에 구비한 실린더; 상기 이송 부재의 일단과 접촉하여 이송 부재의 힘을 전달받는 압축 지그; 상기 몸체의 타 측에 장착되며 상기 압축 지그에 가해지는 힘에 따라 상기 이송 부재와 접촉하는 압축 지그의 접촉 면에 있는 시험 대상시료의 하중을 측정하는 로드 셀을 포함하는 이동식 압축측정장치를 제공한다.

상기 압축 지그는, 상기 이송 부재와 마주보는 상기 접촉면과 상기 로드 셀과 결합하는 반대면을 포함하고, 상기 접촉면은 상기 이송 부재가 가하는 힘을 전달받도록 평평한 형상으로 형성되고, 상기 반대면에는 돌출부가 형성된다.

상기 로드 셀은, 소정 두께의 판형의 형상으로 하중 측정을 위해 적어도 하나의 절개부가 형성되고, 상기 압축 지그의 돌출부와 나사 결합하기 위한 제1 홈 및 상기 몸체의 일측 내면과 접촉된 상태로 나사 결합하기 위한 제2 홈이 측면에 각각 형성된다.

상기 몸체는 내부 일부를 노출하기 위한 덮개가 형성되고, 상기 덮개는 상기 압축 지그가 위치한 부분에 형성되는 것이 바람직하다.

상기 몸체의 저면에는 상기 서보 모터의 높이를 보정하는 높이 지지대와, 상기 실린더 및 감속기를 지지하는 거치대가 형성된다.

상기 이동식 압축측정장치는, 상기 서보 모터에 전원을 공급하는 단자, 상기 서보 모터의 구동을 제어하는 모터 드라이브를 연결하는 단자 및 상기 시험 대상시료의 하중 값을 외부의 인디케이터로 전송하는 단자를 포함한다. 그리고 상기 하중 값은 RS-232 통신방식을 통해 전송된다.

이와 같은 본 발명의 이동식 압축시험장치에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

먼저, 종래 측정 장치에 비해 작은 크기이고 이동 가능하도록 그 구조를 개선함으로써, 장소에 상관없이 시험 측정이 가능한 효과가 있다.

또한 시험 대상시료를 옮기지 않고 측정할 수 있어 생체 조직 및 재료 등에 대한 특성 변질을 방지할 수 있어 측정 결과의 신뢰성이 향상되는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이동식 압축시험장치의 평면도
도 2는 도 1의 이동식 압축시험장치의 내면 사시도
도 3은 도 1의 서보 모터와 감속기의 연결 구조 도면
도 4는 도 1의 감속기와 실린더의 연결 구조 도면
도 5는 도 1의 이송 부재, 압축 지그 및 로드 셀의 결합 구조를 보인 도면
도 6은 도 1의 몸체 일단과 로드 셀의 결합 관계를 보인 도면

이하 본 발명에 의한 이동식 압축시험장치의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 실시 예는 시험대상 시료로서 연골세포와 연골기질로 구성되며 완충작용에 의해 에너지를 흡수하는 연골 조직에 대해 압축 시험을 실시하여 생체에 가해지는 여러 상해 및 자극에 대하여 체내에서 일어나는 비특이적인 생물 반응인 스트레스(stress)나 변형 정도를 말하는 스트레인(strain) 등의 역학적 특성을 분석하는 이동식 압축시험장치를 제공함을 그 기술적 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이동식 압축시험장치의 평면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 이동식 압축시험장치(100)는 외형 및 골격을 몸체(102)가 구성한다. 즉 몸체(102)의 전체 크기가 이동식 압축시험장치(100)를 구성한다고 봐야 할 것이다. 본 실시 예에서 몸체(102)는 70(h) * 65(w) * 800(l) mm의 사이즈이다. 몸체(102)는 내부에 각종 부품을 장착할 수 있는 공간이 형성되는 대략 막대형상으로 이루어진다. 그리고 몸체(102)는 내부를 관찰할 수 있는 재질로서 예컨대 아크릴 등이 이용되어 구성된다. 그러나 몸체(102)의 전부가 아크릴 재질로 형성되지 않고 일부만 아크릴 재질로 형성되고 나머지 부분은 강성의 재질로서 형성되는 것도 가능하다. 물론 몸체(102)의 전부를 투명한 재질이 아닌 불투명 재질로 형성하는 것도 가능할 것이다. 그리고 몸체(102)는 하나의 하우징 형태로 형성되지 않고 일부가 개폐되는 구조일 수 있다. 이는 시험 대상시료를 몸체(102) 내부에 장착하여야 하기 때문이다. 개폐 구조는 몸체(102)의 일부가 덮개(미도시) 형태로 형성되고, 그 덮개의 개폐를 통해 몸체(102) 내부의 일부가 노출될 수 있는 어떠한 구조이어도 상관없다. 예컨대 힌지나 슬라이딩 방식등이 적용될 수 있을 것이다.

몸체의 내부는 도 2를 참조하기로 한다.

도 2는 도 1의 이동식 압축시험장치의 내면을 보인 사시도이다. 도시된 바와 같이 몸체(102)의 저면(104)에는 높이 지지대(106) 및 거치대(108)가 형성된다. 높이 지지대(106)는 후술하는 서보 모터의 높이를 보정해주는 역할을 하고, 거치대(108)는 후술하는 실린더 몸체와 감속기를 지지하여 고정해주는 역할을 하며, 이 거치대(108)는 실린더 몸체와 감속기가 지지 되도록 그 외형과 대응되는 형상으로 형성된다.

다시 도 1을 보면, 몸체(102)에는 도면의 왼쪽 방향에서부터 서보 모터(110), 감속기(120), 실린더(130), 이송부재(140), 압축지그(150) 및 로드 셀(Load-cell)(160)이 장착된다.

그리고 이의 각 구성 및 구성들간의 결합 관계를 도 1 및 첨부된 도면을 참조하면서 구체적으로 설명한다.

서보 모터(110)는 전원단자(112)를 통해 인가되는 전원에 따라 동작하여 실린더(130)에 구비된 이송부재(140)의 왕복 운동을 지원한다. 서보 모터(110)는 별도의 모터 드라이브(미도시)에 의해 구동된다. 모터 드라이브는 시험 특성에 따라 이송부재(140)의 위치 및 이송속도를 조절하도록 서보 모터(110)의 구동을 제어하는 역할을 한다. 이러한 모터 드라이브는 몸체(102) 외부에 별도로 장착되기 때문에 서보 모터(110)에는 모터 드라이브와 연결하는 케이블 단자(114)가 형성된다. 케이블 단자(114)는 몸체(102)를 관통하여 외부로 돌출된 상태이다.

서보 모터(110)의 출력단에는 서보 모터(110)의 속도를 감속하는 감속기(120)가 연결된다. 즉 감속기(120)는 서보 모터(110)의 회전수를 원하는 회전수로 줄여주는 기능을 하며 이때의 회전수는 모터 드라이브에 의해 조절된다. 통상 서보 모터(110)가 감속기(120)를 장착하고 있다고 봐도 된다. 감속기(120)는 42각 1/10 감속기로서 실린더(130)의 미세한 동작을 가능하게 하는 역할을 한다.

서보 모터(110)와 감속기(120)의 연결 구조는 도 3을 참조한다. 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 서보 모터(110)와 감속기(120)의 연결 구조를 보인 도면이다. 이를 보면, 서보 모터(110)의 모터축(116)에 감속기(120)의 일 축(122)이 서로 결합하는 구조인데, 이와 같이 감속기(120)가 서보 모터(110)에 장착되는 구조는 당 기술분야에서는 일반적인 공지 공용에 속하기 때문에 상세한 설명은 한다. 즉 일반적으로 서보 모터(110)와 감속기(120)는 함께 쓰이는 경우가 많으며, 실시 예에서는 서보 모터(110)와 감속기(120)가 분리되는 구조나 서보 모터(110)와 감속기(120)가 일체로 구성된 구조 모두 적용이 가능하다.

감속기(120)는 실린더(130)와 결합하는데, 감속기(120)와 실린더(130)의 결합은 감속기(120) 및 실린더(130)에 각각 구비된 결합 부재로 이루어진다. 즉 감속기(120) 및 실린더(130)에는 제1 결합부(124) 및 제 2 결합부(132)가 마주보게 설치되어 서로 결합한다. 제1 결합부(124)와 제2 결합부(132)의 형상은 도 4에 도시되어 있다. 즉, 제1 결합부(124)는 바디(124a)와 바디(124a)의 일단으로부터 연장되는 적어도 하나인 사각기둥 모양의 체결부(124b)로 구성된다. 체결부(124b)는 단면으로 봤을 때는 사다리꼴 형상이다. 그리고 제2 결합부(132)는 체결부(124b)의 끝단 일부가 끼움 고정되게 체결부(124b)의 단면과 대응되는 체결홈(124)이 구성된다. 물론 감속기(120)의 회전상태가 실린더(130)에 정확하게 전달될 수 있는 구조이면 제1 결합부(124) 및 제2 결합부(132)의 형상은 다른 구조이어도 상관없다.

실린더(130)에는 감속기(120)의 회전운동을 직선운동으로 변환하는 둘 이상의 기어로 조합되는 기어열(미도시)이 구성된다.

상기 기어열과 결합하여 실린더(130) 내부에서 일정 거리를 왕복 운동하는 일정 길이를 갖는 이송 부재(140)가 제공된다. 이송 부재(140)의 일면, 즉 후술하는 압축 지그(jig)(150)와 접촉되는 면은 평평한 면으로 이루어진다. 이송 부재(140)는 도 5에 도시되어 있다. 도 5는 이송 부재, 압축 지그 및 로드 셀의 결합 구조를 보인 도면으로, 이어 설명되는 압축 지그 및 로드 셀의 구조 역시 도 5를 참조할 것이다.

압축 지그(150)는 이송 부재(140)의 힘을 충분히 제공받을 수 있고 또한 로드 셀(160)과 결합하는 구조이어야 한다. 따라서 도 5와 같이 압축 지그(150)는 평평한 면으로 이루어지는 제1 면(152)과 로드 셀(160)과 결합하도록 돌출부(156)가 형성된 제2 면(154)으로 이루어진다. 여기서 제1 면(152)에 시험 대상시료가 놓이게 된다.

상기 시험 대상시료에 가해지는 하중 등을 측정하는 로드 셀(160)이 제공된다. 이러한 로드 셀(160)은 소정 두께의 판형의 형상으로 형성되고, 하중 측정을 위해 적어도 하나의 절개부(162)가 형성되어 있다. 그리고 실린더(130)가 위치하는 로드 셀(160)의 일면에는 압축 지그(150)의 돌출부(156)가 결합하는 제1 홈(164)이 형성된다. 또한 로드 셀(160)은 제2 홈(166)을 통해 나사(103) 등의 방식으로 몸체(102)에 고정된다. 이의 구조는 몸체와 로드 셀의 결합 관계를 도시한 도 6에 자세하게 도시되어 있다.

한편 상술한 설명에서는 이동식 압축시험장치(100)의 구조를 설명하였다. 그리고 본 실시 예는 이동식 압축시험장치(100)가 측정한 시험 대상시료의 측정값을 표시하기 위한 인디케이터(미도시)가 제공될 것이다. 인디케이터는 로드 셀(160)과 연결되며, 이를 위해 연결단자(170, 도 1)가 로드 셀(160)과 연결된다. 연결단자(170)는 인디케이터를 용이하게 연결할 수 있도록 몸체의 외면에 돌출된 상태이다.

이어서는 상기와 같이 구성된 이동식 압축시험장치를 이용하여 시험 대상시료의 역학적 특성을 분석하는 작용을 설명하기로 한다.

시험 대상시료(예컨대, 연골조직)를 압축 지그(150)의 제1 면(152)에 위치시킨다. 아울러 사용자는 모터 드라이브를 조작하여 서보 모터(110)의 회전 속도 및 이송 부재(140)의 전후방 이동을 조절하기 위한 일련의 시험 조건 등을 입력한다.

그 상태에서, 시험 시작을 위한 조작을 통해 전원이 인가되면, 모터 드라이브에 미리 부여된 명령에 따라 서보 모터(110)는 소정 회전속도를 가지면서 구동한다.

서보 모터(110)의 회전은 감속기(120)에 의해 감속된다. 이처럼 서보 모터(110)의 회전수를 감속하는 이유는 실린더(130) 내의 이송 부재(140)가 더 정밀하게 움직일 수 있도록 하기 위함이다. 따라서, 서보 모터(110)의 회전수는 감속기(120)에 의해 감속되고, 그 감속기(120)의 감속된 회전수에 따라서 이송 부재(140)는 전방, 즉 로드 셀(160)이 위치하는 방향으로 이동하게 된다.

이송 부재(140)는 압축 지그(150)의 제1 면(152)과 접촉한다. 이때 제1 면(152)에는 시험 대상시료인 연골조직이 놓여진 상태이다. 따라서 실질적으로 이송 부재(140)는 시험 대상시료와 접촉한 상태가 되고, 그 시험 대상시료를 압축하게 된다.

로드 셀(160)은 시험 대상시료에 가해지는 하중이나 변위 등을 측정한다. 로드 셀(160)에 의해 측정된 하중이나 변위 값은 압축측정장치(100)의 외부에 위치한 인디케이터로 전달된다. 이에 인디케이터는 로드 셀(160)이 보내온 하중이나 변위 정보 등을 표시한다. 이때 단순히 하중 및 변위 정보만을 표시하지 않고, 상기 하중 및 변위 정보에 따라 분석되는 시험 대상시료의 스트레스(stress) 및 스트레인(strain) 등과 같은 특성 정보도 표시한다.

한편, 상기 로드 셀(160)과 인디케이터는 연결단자(170)를 통해 RS-232 통신 방식으로 연결된다. 이에 별도의 소프트웨어를 사용하지 않고서도 하중 정보를 용이하게 획득할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 연골 조직 등의 시험 대상시료의 역학적 특성 분석을 위해 전체적으로 막대 형상으로 형성되는 새로운 모양의 이동식 압축시험장치를 제안하고 있어, 시험 대상시료들을 이동시키지 않고서도 분석을 할 수 있고, 설치 등의 공간적인 문제로부터 탈피할 수 있음을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100 : 이동식 압축측정장치 102 : 몸체
110 : 서보 모터 120 : 감속기
130 : 실린더 140 : 이송 부재
150 : 압축 지그 160 : 로드 셀

Claims (7)

1. 내부에 공간이 형성되며 내부 일부를 노출하기 위한 덮개가 형성되고 상기 덮개는 압축 지그가 위치한 부분에 형성되는 막대형의 몸체;
   상기 몸체의 일 측에 구비된 모터;
   상기 모터의 회전수를 감속하며, 바디와 상기 바디의 일단으로부터 연장되는 적어도 하나인 사각기둥모양의 체결부를 갖는 제1 결합부가 형성된 감속기;
   상기 제1 결합부와 연결되도록 상기 체결부의 끝단 일부가 끼움 고정되게 상기 체결부의 단면과 대응되는 체결홈이 구성된 제2 결합부를 이용하여 연결되며 상기 감속기의 회전운동에 의해 전후 방향으로 이동하는 이송 부재를 내부에 구비한 실린더;
   상기 이송 부재의 일단과 접촉하여 이송 부재의 힘을 전달받는 압축 지그; 및
   상기 몸체의 타 측에 장착되며, 상기 압축 지그에 가해지는 힘에 따라 상기 이송 부재와 접촉하는 압축 지그의 접촉 면에 있는 시험 대상시료의 하중을 측정하는 로드 셀을 포함하고, 상기 몸체는 70mm(h)*65mm(w)*800mm(l)로 구성되는 이동식 압축측정장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 압축 지그는,
   상기 이송 부재와 마주보는 접촉면과 상기 로드 셀과 결합하는 반대면을 포함하고,
   상기 접촉면은 상기 이송 부재가 가하는 힘을 전달받도록 평평한 형상으로 형성되고, 상기 반대면에는 돌출부가 형성되는 이동식 압축측정장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 로드 셀은,
   소정 두께의 판형의 형상으로 하중 측정을 위해 적어도 하나의 절개부가 형성되고,
   상기 압축 지그의 돌출부와 나사 결합하기 위한 제1 홈 및 상기 몸체의 일측 내면과 접촉된 상태로 나사 결합하기 위한 제2 홈이 측면에 각각 형성되는 이동식 압축측정장치.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 몸체의 저면에는 상기 모터의 높이를 보정하는 높이 지지대와, 상기 실린더 및 감속기를 지지하는 거치대가 형성되는 이동식 압축측정장치.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 압축측정장치는,
   상기 모터에 전원을 공급하는 단자, 상기 모터의 구동을 제어하는 모터 드라이브를 연결하는 단자 및 상기 시험 대상시료의 하중 값을 외부의 인디케이터로 전송하는 단자를 포함하여 구성되는 이동식 압축측정장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 하중 값은 RS-232 통신방식을 통해 전송되는 이동식 압축측정장치.
   
   

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