KR101490886B1 - Piezoelectric Fibre Complex Material Structure and Multi Axis Force Measurement System - Google Patents

Piezoelectric Fibre Complex Material Structure and Multi Axis Force Measurement System Download PDF

Info

Publication number
KR101490886B1
KR101490886B1 KR20120148082A KR20120148082A KR101490886B1 KR 101490886 B1 KR101490886 B1 KR 101490886B1 KR 20120148082 A KR20120148082 A KR 20120148082A KR 20120148082 A KR20120148082 A KR 20120148082A KR 101490886 B1 KR101490886 B1 KR 101490886B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
axis
fiber
force
force measuring
piezoelectric fiber
Prior art date
Application number
KR20120148082A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20140080763A (en
Inventor
최교준
이윤복
황희윤
황상균
권오민
김성수
Original Assignee
국방과학연구소
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 국방과학연구소 filed Critical 국방과학연구소
Priority to KR20120148082A priority Critical patent/KR101490886B1/en
Publication of KR20140080763A publication Critical patent/KR20140080763A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101490886B1 publication Critical patent/KR101490886B1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/20—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B5/22—Spherometers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

본 발명의 압전 섬유 복합재료 구조체에는 XYZ좌표계를 기준으로 할 때, 적어도 2축으로 각각 압전 섬유가 배열되고, 상기 2축중 1개의 축에서는 XYZ좌표계의 수직성분인 Z축에 작용하는 외부 힘이 검출되며, 상기 2축중 다른 1개의 축에서는 XYZ좌표계의 수평성분인 X좌표나 Y좌표에 각각 작용하는 외부 힘이 검출되고, 상기 압전 섬유는 외부완경으로부터 내부를 보호하는 보호기지체(1,10,20)가 감싸도록 구성됨으로써 적어도 2축에 각각 작용하는 접지압 및 지면 마찰력이 동시에 검출될 수 있고, 특히 적어도 2축에 대해 압전 섬유의 배열 방향이 다양한 방식으로 최적화됨으로써 각각 측정되어진 힘에 대한 정밀도와 신뢰도가 크게 향상되는 특징을 갖는다.In the piezoelectric fiber composite material structure of the present invention, piezoelectric fibers are arranged on at least two axes, respectively, with respect to the XYZ coordinate system, and an external force acting on the Z axis, which is a vertical component of the XYZ coordinate system, And an external force acting on the X-coordinate and the Y-coordinate, which are horizontal components of the XYZ coordinate system, is detected in one of the axes of the two axes, and the piezoelectric fiber is provided with protector supports (1, The grounding pressure and the ground friction acting respectively on at least two axes can be detected at the same time. In particular, the arrangement direction of the piezoelectric fibers with respect to at least two axes is optimized in various ways, Is greatly improved.

Description

압전 섬유 복합재료 구조체 및 이를 이용한 다축 힘 측정 장치{Piezoelectric Fibre Complex Material Structure and Multi Axis Force Measurement System} Technical Field [0001] The present invention relates to a piezoelectric fiber composite material structure and a multi-

본 발명은 다축 힘 측정에 관한 것으로, 특히 압전 섬유로 보강한 복합재료 구조물을 이용함으로써 적어도 2축에 작용하는 힘이 동시에 검출 및 측정될 수 있는 압전 섬유 복합재료 구조체 및 이를 이용한 다축 힘 측정 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a multiaxial force measurement, and more particularly to a piezoelectric fiber composite structure capable of simultaneously detecting and measuring forces acting on at least two axes by using a composite material structure reinforced by piezoelectric fibers, .

일반적으로 힘을 측정하기 위해 사용되는 방법은 그 작용원리에 따라 기계식 부품을 이용한 방법이나, 공기압을 이용한 방법이나 또는 압전체를 이용한 방법과 같이 매우 다양하다.Generally, the method used for measuring the force varies greatly depending on the working principle, such as a method using a mechanical part, a method using air pressure, or a method using a piezoelectric body.

기계식 부품을 이용한 방법은 로드셀이나 압력센서 또는 LVDT 등의 특성을 이용하여 힘 및 토크가 측정될 수 있지만 힘 및 토크를 검출하는 센서에 유연성이 없는 한계가 있고, 이로 인해 그 적용 대상체의 외형이 곡면이나 복잡한 형상을 가질 경우 부착하거나 장착이 곤란할 수밖에 없다.The method using the mechanical part can measure the force and the torque using the characteristics of the load cell, the pressure sensor or the LVDT, but there is a limit in that the sensor for detecting the force and the torque is not flexible, Or if it has a complicated shape, it is inevitably hard to attach or attach it.

그러므로, 기계식 부품을 이용한 방법은 상기와 같은 특성으로 인해 주로 산업용 로봇에 널리 적용되는 한계를 갖게 된다.Therefore, the method using the mechanical part has the limitation that is widely applied to the industrial robot mainly because of the above characteristics.

공기압을 이용한 방법은 압축된 공기를 돔 형태의 금속판에 넣어 내부의 반지름 변화를 이용함으로써 미소의 힘이 측정될 수 있지만, 측정 대상의 면적이 클 경우 적용하기 어려울 뿐 아니라 압축상태로 공급되는 공기의 습기 제거와 같은 관리도 필요한 불편이 있을 수밖에 없다.The method using air pressure can measure the force of the smile by using the change of the inner radius by putting the compressed air into the metal plate of the dome shape. However, it is difficult to apply when the area of the measurement object is large, There is a need for management such as moisture removal.

특히, 공기압을 이용한 방법에서는 2축의 힘을 측정하는데 적용하기에는 한계를 갖게 된다.Especially, the method using the air pressure has a limitation to be applied to the measurement of the biaxial force.

반면, 압전체를 이용한 방법은 기계식 부품을 이용한 방법이 갖는 센서 유연성부족과 공기압을 이용한 방법이 갖는 면적 제한을 모두 해소할 수 있는 장점을 갖는 방식이다.On the other hand, the method using a piezoelectric body is advantageous in that both the lack of sensor flexibility of the method using mechanical parts and the area limitation of the method using air pressure can be solved.

이는 압전체를 이용한 방법에서는 고분자 재료에 전도성 물질(입자)을 섞어서 센서로 만들어짐으로써 재료 자체가 감지부 역할과 동시에 구동부 역할을 함께 함에 기인된다. 이로 인해, 유연성이 확보되는 동시에 내구성도 뛰어나고, 특히 비용측면에서 대 면적 구조에도 저렴하게 적용할 수 있다.This is because, in the method using the piezoelectric material, the polymer material is made of a conductive material (particle) mixed therein to serve as a sensor, so that the material itself serves as a sensing part and a driving part. This ensures flexibility and durability, and can be applied to a large-area structure at low cost, in particular.

하지만, 압전체를 이용한 방법에서도 넓은 면적에 골고루 섞기 어려운 전도성 재료의 특성으로 인해 전체 혼합면적에서 부분별로 특성이 다를 수 있고, 특히 전도성 재료의 등방향 전도성으로 인해 두께방향의 변형에만 민감하고 수평 방향에는 크게 반응하지 않음으로써 2축의 힘 측정에는 한계가 있게 된다. However, due to the characteristics of the conductive material which is difficult to mix evenly over a large area in the method using the piezoelectric body, the characteristics may be different from each other in the entire mixed area. Especially, due to the isotropic conductivity of the conductive material, There is a limit to the measurement of the force of the two axes.

국내특허공개 특2001-0083634(2001년09월01일)Korean Patent Laid-Open Publication No. 2001-0083634 (September 01, 2001)

상기 특허문헌은 측정블럭의 외측면에 축방향으로 회동 가능하게 연결되어진 복수개의 측정아암을 갖추고, 복수개의 측정아암에 각각 측정센서가 부착됨으로써, 하나의 축에 대한 2축방향의 힘이 측정될 수 있는 기술의 예를 나타낸다.The patent document has a plurality of measuring arms rotatably connected to the outer surface of the measuring block in the axial direction so that a measurement sensor is attached to each of the plurality of measuring arms so that the force in two axial directions with respect to one axis is measured This is an example of a possible technique.

하지만, 상기 특허문헌은 사용되는 센서의 수량이 크게 증가되고, 특히 측정센서가 부착되는 방식이므로 센서의 유연성이 없음에 따른 한계들이 그대로 존속될 수밖에 없다.However, since the number of sensors to be used is greatly increased in the above-mentioned patent documents, and in particular, a measurement sensor is attached, limitations due to lack of flexibility of the sensor can not but be maintained.

그러므로, 기계식 부품을 이용한 방법이나, 공기압을 이용한 방법이나 또는 압전체를 이용한 방법은 물론 상기 특허문헌이 갖는 한계를 극복할 수 있는 힘 측정방식이 크게 요구될 수밖에 없다.Therefore, there is a great need for a force measuring method capable of overcoming the limitations of the above-mentioned patent documents as well as a method using a mechanical part, a method using an air pressure, or a method using a piezoelectric body.

이러한 요구의 예로서, 압력 감응 재료를 이용한 나노구조물로 구성되는 정전 용량형 방법이 있으며, 이는 고정된 전극판과 유동적으로 움직이는 전극판의 사이에 CNT 혹은 ZnO 나노와이어를 수직으로 성장 시켜줌으로써 접지압을 측정할 수 있는 방식이다.As an example of such a demand, there is a capacitance type method comprising a nanostructure using a pressure sensitive material. This is because a CNT or ZnO nanowire is vertically grown between a fixed electrode plate and a floating electrode plate, It is a method to measure.

그러나, 이와 같은 나노구조물방식에서도 넓은 면적에 적용하여 신호를 측정하기 어렵고, 특히 2축의 힘을 동시에 측정할 수 없는 한계가 있을 수밖에 없다.However, even in such a nanostructure method, it is difficult to measure a signal by applying to a large area, and in particular, there is a limit in which the force of two axes can not be measured at the same time.

이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 압전 섬유로 보강한 복합재료 구조물을 이용함으로써 적어도 2축에 각각 작용하는 접지압 및 지면 마찰력이 동시에 검출될 수 있고, 특히 적어도 2축에 대해 압전 섬유의 배열 방향이 다양한 방식으로 최적화됨으로써 각각 측정되어진 힘에 대한 정밀도와 신뢰도가 크게 향상될 수 있는 압전 섬유 복합재료 구조체 및 이를 이용한 다축 힘 측정 장치를 제공하는데 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a composite material structure reinforced with piezoelectric fibers, which can simultaneously detect an earth pressure and a ground friction acting on at least two axes, The present invention provides a piezoelectric fiber composite material structure and a multiaxial force measurement device using the same, which can greatly improve the precision and reliability of the measured force.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압전 섬유 복합재료 구조체는 XYZ좌표계를 기준으로 할 때, 적어도 2축으로 각각 압전 섬유가 배열되고, 상기 2축중 1개의 축에서는 XYZ좌표계의 수직성분인 Z축에 작용하는 외부 힘이 검출되며, 상기 2축중 다른 1개의 축에서는 XYZ좌표계의 수평성분인 X좌표나 Y좌표에 각각 작용하는 외부 힘이 검출되고, 상기 압전 섬유는 외부완경으로부터 내부를 보호하는 보호기지체가 감싸는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the piezoelectric fiber composite material structure of the present invention is characterized in that piezoelectric fibers are arranged on at least two axes on the basis of an XYZ coordinate system, and one of the two axes has a vertical component Z An external force acting on the axis is detected and an external force acting on the X coordinate or the Y coordinate, which is a horizontal component of the XYZ coordinate system, is detected in one axis among the two axes, and the piezoelectric fiber protects the inside from the external And the protecting group retention is wrapped.

상기 압전 섬유는 제작 시 분극 처리 방향을 각각 다르게 하며, 상기 압전 섬유는 PVDF, 폴리펩티드, 폴리프로필렌중 어느 하나가 적용되어 이루어진다.The piezoelectric fibers have different polarization processing directions at the time of fabrication, and the piezoelectric fibers are made of any one of PVDF, a polypeptide, and a polypropylene.

상기 보호기지체는 고분자 기지이고, 고분자재료, 탄성 중합체, 폴리이미드 필름중 어느 하나가 적용되어 이루어진다.The protecting group retarder is a polymer base, and is formed by applying any one of a polymer material, an elastomer, and a polyimide film.

상기 보호기지체는 상기 2축중 1개의 축에 배열된 압전 섬유와, 상기 2축중 다른 1개의 축에 배열된 압전 섬유를 내부로 함께 수용하고, 상기 보호기지체는 일체로 형성된 단층 구조이다.The protective plate support includes a piezoelectric fiber arranged on one axis of the two axes and a piezoelectric fiber arranged on one axis of the two axes together, and the protective plate support is integrally formed.

상기 2축중 1개의 축이 XYZ좌표계에서 Z축일 때 상기 압전 섬유는 수직하게 적층됨으로써 Z축 방향으로 수직한 힘을 측정하고, 상기 2축중 다른 1개의 축이 XYZ좌표계에서 X축일 때 상기 압전 섬유는 수평하게 배열됨으로써 Y축 방향으로 이동하는 힘을 측정한다.Wherein when one axis among the two axes is a Z axis in the XYZ coordinate system, the piezoelectric fibers are stacked vertically to measure a force perpendicular to the Z axis direction, and when one axis among the two axes is the X axis in the XYZ coordinate system, The force that moves in the Y-axis direction is measured by horizontally arranged.

상기 압전 섬유는 적어도 1개 이상을 갖춘 섬유매트릭스로 이루어지고, 상기 섬유매트릭스는 상기 2축에 각각 배열되어 상기 단층 구조인 상기 보호기지체의 내부로 수용된다.The piezoelectric fiber is made of a fiber matrix having at least one or more fibers, and the fiber matrix is arranged in each of the biaxial axes, and is housed in the protective member support having the single-layer structure.

상기 섬유매트릭스는 상기 2축중 XYZ좌표계의 수직성분인 Z축에 1개의 섬유매트릭스가 배열되면, 상기 2축중 XYZ좌표계의 수평성분인 X축이나 Y축중 어느 하나의 축에 2개의 섬유매트릭스가 배열되고, 상기 X축이나 Y축중 어느 하나의 축에 배열된 2개의 섬유매트릭스는 상기 Z축에 배열된 1개의 섬유매트릭스의 좌우 양쪽으로 각각 배열된다.When one fiber matrix is arranged on the Z axis, which is a vertical component of the XYZ coordinate system in the double axis, the fiber matrix is arranged on either one of the X axis and the Y axis, which are horizontal components of the double axis XYZ coordinate system, , And the two fiber matrices arranged on either one of the X axis and the Y axis are arranged on both the left and right sides of one fiber matrix arranged on the Z axis.

상기 보호기지체는 상기 2축중 1개의 축에 배열된 압전 섬유와, 상기 2축중 다른 1개의 축에 배열된 압전 섬유를 내부로 함께 수용하고, 상기 1개의 축에 배열된 압전 섬유와 상기 다른 1개의 축에 배열된 압전 섬유가 서로 교차하며, 상기 보호기지체는 일체로 형성된 단일 구조이다.Wherein the protective gear support comprises piezoelectric fibers arranged on one axis of the two axes and piezoelectric fibers arranged on one axis of the two axes, and the piezoelectric fibers arranged on the one axis and the other one The piezoelectric fibers arranged on the axis intersect with each other, and the protective group support is a single structure formed integrally.

상기 2축중 1개의 축이 XYZ좌표계에서 Z축일 때 상기 압전 섬유는 수직하게 적층됨으로써 Z축 방향으로 수직한 힘을 측정하고, 상기 2축중 다른 1개의 축이 XYZ좌표계에서 Y축일 때 상기 압전 섬유는 수평하게 배열됨으로써 X축 방향으로 이동하는 힘을 측정한다.When one axis among the two axes is a Z axis in the XYZ coordinate system, the piezoelectric fibers are stacked vertically to measure a force perpendicular to the Z axis direction, and when one axis among the two axes is Y axis in the XYZ coordinate system, The force that moves in the X-axis direction is measured by horizontally arranged.

상기 압전 섬유는 적어도 1개 이상을 갖춘 섬유매트릭스로 이루어지고, 상기 섬유매트릭스는 상기 2축에 각각 배열되어 상기 단일 구조인 상기 보호기지체의 내부로 수용된다.The piezoelectric fiber is made of a fiber matrix having at least one or more fibers, and the fiber matrix is arranged in each of the biaxial axes, and is accommodated in the protective structure of the single structure.

상기 섬유매트릭스는 상기 2축중 XYZ좌표계의 수평성분인 X축이나 Y축중 어느 하나의 축에 1개의 섬유매트릭스가 배열되면, 상기 2축중 XYZ좌표계의 수직성분인 Z축에 2개의 섬유매트릭스가 배열되고, 상기 Z축에 배열된 2개의 섬유매트릭스는 상기 X축이나 Y축중 어느 하나의 축에 배열된 1개의 섬유매트릭스의 좌우 양쪽으로 각각 배열된다.When one fiber matrix is arranged on any one of the X axis and the Y axis which are horizontal components of the double axis XYZ coordinate system, two fiber matrices are arranged on the Z axis which is a vertical component of the XYZ coordinate system of the two axes , And the two fiber matrices arranged on the Z-axis are arranged on both sides of one fiber matrix arranged on any one of the X-axis and Y-axis.

상기 보호기지체는 상기 2축중 1개의 축에 배열된 압전 섬유를 내부로 수용하는 어퍼 기지체와, 상기 2축중 다른 1개의 축에 배열된 압전 섬유를 내부로 수용하는 로어 기지체로 구성되고, 상기 어퍼 기지체와 상기 로어 기지체는 서로 적층되는 복층 구조이다.Wherein the protective gear support is constituted by an upper supporting body accommodating therein piezoelectric fibers arranged in one axis among the two axes and a lower supporting body accommodating therein piezoelectric fibers arranged in one axis of the two axes, The supporting body and the lower supporting body are multi-layered structures.

상기 2축중 1개의 축이 XYZ좌표계에서 X축일 때 상기 압전 섬유는 X축 방향으로 수평하게 배열됨으로써 Y축 방향으로 이동하는 힘을 측정하고, 상기 2축중 다른 1개의 축이 XYZ좌표계에서 Y축일 때 상기 압전 섬유는 Y축 방향으로 수평하게 배열됨으로써 X축 방향으로 이동하는 힘을 측정하며, 상기 어퍼 기지체와 상기 로어 기지체는 XYZ좌표계에서 Z축 방향으로 수직하게 서로 적층되어 각각에 구비된 상기 압전 섬유에 의해 Z축 방향으로 수직한 힘을 측정한다.
When one axis among the two axes is the X axis in the XYZ coordinate system, the piezoelectric fibers are horizontally arranged in the X axis direction to measure a force moving in the Y axis direction, and when one axis among the two axes is the Y axis in the XYZ coordinate system Wherein the piezoelectric fibers are arranged horizontally in the Y-axis direction to measure a force moving in the X-axis direction, and the upper and lower belts are stacked on each other in the Z-axis direction in the XYZ coordinate system, The force perpendicular to the Z-axis direction is measured by the piezoelectric fiber.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다축 힘 측정 장치는 XYZ좌표계를 기준으로 할 때, 적어도 2축으로 각각 압전 섬유가 배열되고, 상기 2축중 1개의 축에서는 XYZ좌표계의 수직성분인 Z축에 작용하는 외부 힘이 검출되며, 상기 2축중 다른 1개의 축에서는 XYZ좌표계의 수평성분인 X좌표나 Y좌표에 각각 작용하는 외부 힘이 검출되고, 상기 압전 섬유는 외부완경으로부터 내부를 보호하는 보호기지체가 감싸는 압전 섬유 복합재료 구조체와;According to another aspect of the present invention, there is provided a multiaxial force measuring device comprising piezoelectric fibers arranged on at least two axes and a plurality of piezoelectric fibers arranged in an XYZ coordinate system An external force acting on the Z axis is detected and an external force acting on the X coordinate or the Y coordinate, which is a horizontal component of the XYZ coordinate system, is detected in one axis among the two axes, and the piezoelectric fiber protects the inside A piezoelectric fiber composite material structure wrapped around a protective tape;

상기 압전 섬유 복합재료 구조체에서 발생된 전기신호를 증폭해주는 신호 증폭기와;A signal amplifier for amplifying an electric signal generated in the piezoelectric fiber composite structure;

상기 증폭된 전기신호를 수집하고 분석하여 측정된 힘 크기를 상기 2축 방향으로 각각 계산해주는 신호 처리기; 가 포함된 것을 특징으로 한다.A signal processor for collecting and analyzing the amplified electrical signal and calculating the measured force magnitude in the biaxial direction; Is included.

상기 압전 섬유는 끝부분으로 전기적 신호가 수집되는 얇은 전선이 부착된다.The piezoelectric fibers are attached to the ends with thin wires through which electrical signals are collected.

이러한 본 발명은 적어도 2축에 각각 작용하는 힘을 압전 섬유로 보강한 복합재료 구조물로 검출함으로써, 기계식 부품을 이용한 방법이나 공기압을 이용한 방법이나 압전체를 이용한 방법이나 또는 나노구조물을 이용하는 방법이 갖는 모든 한계가 해소될 수 있는 효과가 있다.In the present invention, by detecting a force acting on at least two axes as a composite material structure reinforced with a piezoelectric fiber, it is possible to provide a method of using a mechanical part, a method using air pressure, a method using a piezoelectric body, There is an effect that the limit can be solved.

또한, 본 발명은 압전 섬유로 보강한 복합재료 구조물을 이용함으로써 적어도 2축에 각각 작용하는 접지압 및 지면 마찰력이 동시에 검출될 수 있는 효과가 있다.Further, the present invention has the effect of simultaneously detecting ground pressure and ground friction acting on at least two axes by using a composite material structure reinforced with piezoelectric fibers.

또한, 본 발명은 압전 섬유로 보강한 복합재료 구조물에서 압전 섬유의 배열 방향이 적어도 2축에 대해 다양한 방식으로 최적화됨으로써 각각 측정되어진 힘에 대한 정밀도와 신뢰도가 크게 향상되고, 특히 측정해야 하는 다양한 힘의 방향에 대해서도 측정이 용이해지는 효과가 있다.In addition, the present invention optimizes the arrangement direction of the piezoelectric fibers in at least two axes in various ways in the composite structure reinforced with the piezoelectric fiber, thereby greatly improving the accuracy and reliability of the respective measured forces, There is an effect that the measurement can be facilitated also in the direction of the surface.

또한, 본 발명은 적어도 2축에 각각 작용하는 힘을 압전 섬유로 보강한 복합재료 구조물로 검출함으로써, 센서 수량이 최소화되는 다축 힘 측정 장치가 구성될 수 있는 효과가 있다.Further, the present invention has an effect that a multiaxial force measuring apparatus in which the number of sensors is minimized can be constituted by detecting a force acting on at least two axes as a composite material structure reinforced by piezoelectric fibers.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 섬유 복합재료 구조체의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 압전 섬유 복합재료 구조체의 구성도이며, 도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 압전 섬유 복합재료 구조체의 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 압전 섬유 복합재료 구조체이를 이용한 다축 힘 측정 장치의 구성도이며, 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 섬유 복합재료 구조체를 이용한 다축 힘 측정 장치의 작동상태이고, 도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 압전 섬유 복합재료 구조체를 이용한 다축 힘 측정 장치의 작동상태이며, 도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 섬유 복합재료 구조체를 이용한 다축 힘 측정 장치의 작동상태이다.FIG. 1 is a structural view of a piezoelectric fiber composite material structure according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a structural view of a piezoelectric fiber composite material structure according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a configuration diagram of a multiaxial force measuring apparatus using the piezoelectric fiber composite material structure according to the present invention, and FIG. 5 is a view showing the structure of a piezoelectric fiber composite material structure according to a first embodiment of the present invention 6 is an operational state of the multiaxial force measuring apparatus using the piezoelectric fiber composite material structure according to the second embodiment of the present invention, and Fig. 7 is an explanatory view of the operation state of the multiaxial force measuring apparatus using the piezoelectric fiber composite material structure according to the present invention FIG. 3 is a view illustrating a state of the multi-axis force measuring device using the piezoelectric fiber composite material structure according to the first embodiment of the present invention.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which illustrate exemplary embodiments of the present invention. The present invention is not limited to these embodiments.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 섬유 복합재료 구조체의 구성을 나타낸다.Fig. 1 shows a structure of a piezoelectric fiber composite material structure according to a first embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이, 제1실시예의 압전 섬유 복합재료 구조체는 단층 복합구조체(A)로서, 상기 단층 복합구조체(A)는 외부완경으로부터 내부를 보호하는 보호기지체(1)와, 보호기지체(1)의 내부에서 XYZ좌표계를 기준으로 할 때 Z축 방향으로 수직하게 적층되도록 배열되어 Z축 방향으로 수직한 접지압을 측정하는 제1 섬유매트릭스(2)와, XYZ좌표계를 기준으로 할 때 X축 방향으로 수평하게 배열된 한쌍으로 이루어져 Y축 이동방향의 지면마찰력을 측정하는 제2 및 제3 섬유매트릭스(3,5)로 구성된다.As shown in the figure, the piezoelectric fiber composite material structure of the first embodiment is a single layer composite structure (A), wherein the single layer composite structure (A) has a protective substrate support (1) A first fiber matrix 2 which is arranged so as to be stacked vertically in the Z-axis direction on the basis of the XYZ coordinate system in the interior of the XYZ coordinate system and measures the grounding pressure perpendicular to the Z-axis direction, And second and third fiber matrices (3, 5) arranged horizontally and measuring the ground friction force in the Y-axis moving direction.

상기 보호기지체(1)는 제1 섬유매트릭스(2)와 제2 섬유매트릭스(3) 및 제3 섬유매트릭스(5)를 보호하는 고분자 기지로서, 상기 고분자 기지는 유연성이 있고 접착력이 우수한 고분자재료나 탄성 중합체 또는 폴리이미드 필름을 사용한다.The protecting agent support 1 is a polymer matrix for protecting the first fiber matrix 2, the second fiber matrix 3 and the third fiber matrix 5 and the polymer matrix is a polymer material having flexibility and excellent adhesive strength An elastomer or a polyimide film is used.

상기 제1 섬유매트릭스(2)와 상기 제2 섬유매트릭스(3) 및 상기 제3 섬유매트릭스(5)는 외부의 힘을 측정하도록 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 압전 특성을 지닌 압전 섬유이다.The first fiber matrix (2), the second fiber matrix (3) and the third fiber matrix (5) are piezoelectric fibers having piezoelectric properties for converting mechanical energy into electrical energy to measure an external force.

그러므로, 상기 제1 섬유매트릭스(2)와 상기 제2 섬유매트릭스(3) 및 상기 제3 섬유매트릭스(5)에서는 압전 효과의 세기가 전기기계결함계수(Electromechanical coupling factor)로 표시되고, 특히 분극 처리 방향의 수직한 면인 k33에서 가장 큰 세기를 가질 수 있다.Therefore, in the first fiber matrix 2, the second fiber matrix 3 and the third fiber matrix 5, the intensity of the piezoelectric effect is expressed by an electromechanical coupling factor, And can have the largest intensity at k 33 , which is the vertical plane of the direction.

상기 제1 섬유매트릭스(2)와 상기 제2 섬유매트릭스(3) 및 상기 제3 섬유매트릭스(5)에 적용되는 압전 섬유 재질은 PVDF일 수 있으며, 상기 PVDF는 기계적 강도가 강하고 내마모성이 높고, 전기 절연성이 우수하며, 유기재료로서 큰 압전 특성을 갖는다.The piezoelectric fiber material applied to the first fiber matrix 2, the second fiber matrix 3 and the third fiber matrix 5 may be PVDF. The PVDF has high mechanical strength, high abrasion resistance, And has a large piezoelectric property as an organic material.

본 실시예에서는 압전 섬유로 PVDF와 더불어 폴리펩티드 또는 폴리프로필렌이 사용될 수 있다. In this embodiment, in addition to PVDF, a polypeptide or polypropylene may be used as the piezoelectric fiber.

특히, 상기 제1 섬유매트릭스(2)는 XYZ좌표계를 기준으로 하여 Z축 방향으로 수직하게 적층되도록 배열됨으로써 Z축 방향으로 생성되는 신호가 측정되고, Z축 방향의 신호로부터 Z축 방향으로 작용하는 접지압이 측정될 수 있다.In particular, the first fiber matrix 2 is arranged so as to be vertically stacked in the Z-axis direction on the basis of the XYZ coordinate system, whereby a signal generated in the Z-axis direction is measured, and a signal generated in the Z- The ground pressure can be measured.

이를 위해, 상기 제1 섬유매트릭스(2)는 제1 압전 섬유(2a)와, 이에 대해 Z 축방향으로 수직하게 적층되도록 배열된 제2 압전 섬유(2b)로 구성된다. 하지만, 상기 제1 압전 섬유(2a)와 제2 압전 섬유(2b)의 수량은 필요에 따라 적절한 수량으로 변경될 수 있다. 여기서, 상기 제1 섬유매트릭스(2)의 제1,2 압전 섬유(2a,2b)는 제1 힘측정 압전섬유로 정의되고, 이러한 정의는 이하 제2,3실시예서도 동일하게 적용된다.To this end, the first fiber matrix 2 is composed of a first piezoelectric fiber 2a and a second piezoelectric fiber 2b arranged so as to be laminated perpendicularly to the Z-axis direction. However, the quantity of the first piezoelectric fiber 2a and the second piezoelectric fiber 2b may be changed to an appropriate quantity as required. Here, the first and second piezoelectric fibers 2a and 2b of the first fiber matrix 2 are defined as first force-measuring piezoelectric fibers, and the same definitions apply to the second and third embodiments.

한편, 상기 제2 섬유매트릭스(3) 및 상기 제3 섬유매트릭스(5)는 한쌍으로 이루어져 XYZ좌표계를 기준으로 할 때 X축 방향에 수평하게 배열됨으로써, Y축 방향이동에 따라 달라지는 지면 마찰력을 측정할 수 있다.On the other hand, the second fiber matrix 3 and the third fiber matrix 5 are arranged horizontally in the X-axis direction with respect to the XYZ coordinate system, thereby measuring the ground friction force that varies with the Y- can do.

이를 위해, 상기 제2 섬유매트릭스(3)와 상기 제3 섬유매트릭스(5)는 제1 섬유매트릭스(2)를 사이에 두도록 제1 섬유매트릭스(2)의 좌우양쪽으로 배열되며, 그 구성요소는 동일하게 이루어진다.The second fiber matrix 3 and the third fiber matrix 5 are arranged on both sides of the first fiber matrix 2 so as to sandwich the first fiber matrix 2, .

일례로, 상기 제2 섬유매트릭스(3)는 제1 압전 섬유(3a)와 제2 압전 섬유(3b) 및 제3 압전 섬유(3c)가 인접되는 배열로 이루어지고, 상기 제3 섬유매트릭스(5)도 제1 압전 섬유(5a)와 제2 압전 섬유(5b) 및 제3 압전 섬유(5c)가 인접되는 배열로 이루어진다. 여기서, 상기 제2 섬유매트릭스(3)의 제1,2,3 압전 섬유(3a, 3b, 3c), 상기 제3 섬유매트릭스(5)의 제1 압전 섬유(5a, 5b, 5c)는 각각 제2 힘측정 압전섬유로 정의되고, 이러한 정의는 이하 제2,3실시예서도 동일하게 적용된다.For example, the second fiber matrix 3 has an arrangement in which the first piezoelectric fiber 3a, the second piezoelectric fiber 3b, and the third piezoelectric fiber 3c are adjacent to each other, and the third fiber matrix 5 Also has an arrangement in which the first piezoelectric fiber 5a, the second piezoelectric fiber 5b and the third piezoelectric fiber 5c are adjacent to each other. The first, second, and third piezoelectric fibers 3a, 3b, and 3c of the second fiber matrix 3 and the first piezoelectric fibers 5a, 5b, and 5c of the third fiber matrix 5, 2 force measuring piezoelectric fiber, and this definition is applied to the second and third embodiments in the same manner.

하지만, 상기 제1 압전 섬유(3a,5a)와 제2 압전 섬유(3b,5b) 및 제3 압전 섬유(3c,5c)의 수량은 필요에 따라 적절한 수량으로 변경될 수 있다.However, the quantity of the first piezoelectric fibers 3a, 5a, the second piezoelectric fibers 3b, 5b and the third piezoelectric fibers 3c, 5c may be changed to an appropriate quantity as required.

또한, 상기 제2 섬유매트릭스(3) 및 상기 제3 섬유매트릭스(5)의 배열은 센서가 움직이는 방향에 따라 그 배열 방향이 변화될 수 있다.Also, the arrangement of the second fiber matrix 3 and the third fiber matrix 5 may be changed according to the direction in which the sensor moves.

특히, 본 실시예에서 상기 제1 섬유매트릭스(2)의 신호는 상기 제2 섬유매트릭스(3) 및 상기 제3 섬유매트릭스(5)에서 발생된 신호와 함께 분석되고 측정되는데, 이를 위해 제1 매트리스섬유(2)와 제2 매트리스섬유(3) 및 제3 매트리스섬유(5)를 이루는 압전 섬유의 끝 부분으로 얇은 전선이 부착된다.Particularly, in the present embodiment, the signal of the first fiber matrix 2 is analyzed and measured together with the signals generated in the second fiber matrix 3 and the third fiber matrix 5, Thin wires are attached to the ends of the piezoelectric fibers constituting the fibers 2 and the second mattress fibers 3 and the third mattress fibers 5. [

한편, 도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 압전 섬유 복합재료 구조체이고, 단일 복합구조체(B)의 예를 나타낸다.2 is a piezoelectric fiber composite material structure according to a second embodiment of the present invention, and shows an example of a single composite structure (B).

도시된 바와 같이, 제2실시예에 따른 단일 복합구조체(B)도 제1실시예에 따른 단층 복합구조체(A)와 동일하게 외부완경으로부터 내부를 보호하는 보호기지체(10)와, 보호기지체(10)의 내부에서 XYZ좌표계를 기준으로 하여 접지압을 측정하는 제1 섬유매트릭스(12)와 함께 한쌍으로 이루어져 지면마찰력을 측정하는 제2 및 제3 섬유매트릭스(13,15)로 구성된다.As shown in the figure, the single composite structure B according to the second embodiment also includes the protective substrate support 10 for protecting the inside from the external magnetic path, like the single-layer composite structure A according to the first embodiment, 10 and a first fiber matrix 12 for measuring an earth pressure on the basis of an XYZ coordinate system as a reference, and a second fiber matrix 13 and a third fiber matrix 15 for measuring frictional force.

다만, 제1실시예에 따른 단층 복합구조체(A)에서는 제1 섬유매트릭스(2)와 한쌍의 제2 및 제3 섬유매트릭스(3,5)가 수직-수평 배열이지만, 반면 제2실시예에 따른 단일 복합구조체(B)에서는 제1 섬유매트릭스(12)와 한쌍의 제2 및 제3 섬유매트릭스(13,15)가 교차 배열인 차이가 있다.However, in the single-layer composite structure (A) according to the first embodiment, the first fiber matrix 2 and the pair of second and third fiber matrices 3, 5 are arranged vertically-horizontally, whereas in the second embodiment There is a difference in that the first fiber matrix 12 and the pair of second and third fiber matrices 13 and 15 are arranged in an alternating arrangement.

일례로, 제2실시예에 따른 단일 복합구조체(B)의 제1 섬유매트릭스(12)는 XYZ좌표계를 기준으로 할 때 Y축 방향에 수평하게 배열됨으로써 X축 방향을 따라 이동하는 지면마찰력을 측정하고, 한쌍의 제2 및 제3 섬유매트릭스(13,15)는 XYZ좌표계를 기준으로 할 때 Z축 방향으로 수직하게 적층된 상태로 배열됨으로써 접지압을 측정한다.For example, the first fiber matrix 12 of the single composite structure B according to the second embodiment is arranged horizontally in the Y-axis direction with reference to the XYZ coordinate system, thereby measuring the ground friction force moving along the X- And the pair of second and third fiber matrices 13 and 15 are arranged vertically in the Z-axis direction with reference to the XYZ coordinate system, thereby measuring the grounding pressure.

이때, 제2 섬유매트릭스(13)는 제1 섬유매트릭스(12)의 한쪽 끝부위로 위치되고, 제3 섬유매트릭스(15)는 제1 섬유매트릭스(12)의 다른 쪽 끝부위로 위치된다.At this time, the second fiber matrix 13 is located at one end of the first fiber matrix 12, and the third fiber matrix 15 is located at the other end of the first fiber matrix 12.

상기와 같이 제1 섬유매트릭스(12)와 한쌍의 제2 및 제3 섬유매트릭스(13,15)이 서로 교차 배열되면, 압전 섬유 제작 시 분극 처리 방향을 각각 다르게 함으로써 그 검출 성능을 증대시킬 수 있다.As described above, when the first fiber matrix 12 and the pair of second and third fiber matrices 13 and 15 are arranged in an alternating arrangement, the detection performance can be enhanced by making the polarization treatment directions different from each other in manufacturing the piezoelectric fiber .

일례로, Z축 방향으로 분극을 한 압전 섬유는 지면과 수직한 힘의 신호에 대해 가장 큰 신호를 나타내어 접지압 측정성능이 향상될 수 있고, 또한 X방향으로 분극을 한 압전 섬유는 움직이는 방향에 대해 지면 가장 큰 신호를 나타내어 지면 마찰력 측정성능이 향상될 수 있다.For example, piezoelectric fibers polarized in the Z-axis direction exhibit the greatest signal with respect to signals of a force perpendicular to the paper surface, so that the measurement of the grounding pressure can be improved. In addition, the piezoelectric fibers polarized in the X- If the largest signal is plotted on the ground, the frictional force measurement performance can be improved.

또한, 제2실시예에 따른 단일 복합구조체(B)에서는 압전 섬유의 수량에서 제1실시예에 따른 단층 복합구조체(A)와 다를 수 있다.Further, in the single composite structure (B) according to the second embodiment, the quantity of the piezoelectric fibers may be different from the single-layer composite structure (A) according to the first embodiment.

일례로, 제2실시예에 따른 단일 복합구조체(B)의 제1 섬유매트릭스(12)는 제1 압전 섬유(12a)와 제2 압전 섬유(12b)로 이루어져 제1실시예에 따른 단층 복합구조체(A)와 동일한 수량으로 이루어지지만, 반면 제2 및 제3 섬유매트릭스(13,15)는 각각 제1 압전 섬유(13a,15a)와 제2 압전 섬유(13b,15b)로 이루어져 제1실시예에 따른 단층 복합구조체(A)에 비해 상대적으로 적은 수량으로 이루어질 수 있다.For example, the first fiber matrix 12 of the single composite structure B according to the second embodiment is composed of the first piezoelectric fiber 12a and the second piezoelectric fiber 12b, The second and third fiber matrices 13 and 15 are composed of the first piezoelectric fibers 13a and 15a and the second piezoelectric fibers 13b and 15b, respectively, Layer composite structure (A) according to the present invention.

본 발명에서, 제2실시예의 단일 복합구조체(B)는 제1실시예의 단층 복합구조체(A)의 구성성분과 재질이 모두 동일하다.In the present invention, the single composite structure (B) of the second embodiment is the same in composition and material as the single-layer composite structure (A) of the first embodiment.

한편, 도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 압전 섬유 복합재료 구조체이고, 복층 복합구조체(C)의 예를 나타낸다.On the other hand, Fig. 3 shows a piezoelectric fiber composite material structure according to a third embodiment of the present invention, and shows an example of the multi-layer composite structure (C).

도시된 바와 같이, 제3실시예에 따른 복층 복합구조체(C)는 제1실시예의 단층 복합구조체(A) 및 제2실시예의 단일 복합구조체(B)와 구조적으로 다름을 알 수 있다.As shown in the figure, the multi-layer composite structure C according to the third embodiment is structurally different from the single-layer composite structure A of the first embodiment and the single composite structure B of the second embodiment.

즉, 상기 복층 복합구조체(C)는 XYZ좌표계를 기준으로 하여 Z축방향으로 서로 적층되는 한쌍의 어퍼 기지체(21a)와 로어 기지체(21b)로 이루어져 외부완경으로부터 내부를 보호하는 보호기지체(20)와, 어퍼 기지체(21a)의 내부에서 XYZ좌표계를 기준으로 할 때 X축 방향으로 수평하게 배열된 제1 섬유매트릭스(22)와, 로어 기지체(21b)의 내부에서 XYZ좌표계를 기준으로 할 때 Y축 방향으로 수평하게 배열된 한쌍으로 이루어진 제2 섬유매트릭스(23)로 구성된다.That is, the multi-layer composite structure C includes a pair of upper supporting members 21a and a lower supporting member 21b stacked in the Z-axis direction on the basis of the XYZ coordinate system, A first fiber matrix 22 arranged horizontally in the X-axis direction on the basis of the XYZ coordinate system in the upper supporting body 21a; and a first fiber matrix 22 arranged horizontally in the XYZ coordinate system inside the lower body 21b, And a pair of second fiber matrices 23 arranged horizontally in the Y-axis direction.

상기 복층 복합구조체(C)는 어퍼 기지체(21a)와 로어 기지체(21b)의 교차 배열구조로부터 XYZ좌표계를 기준으로 할 때 Z축 방향으로 작용하는 접지압과 X축 또는 Y축 이동방향으로 작용하는 지면마찰력을 동시에 검출할 수 있다.The multi-layer composite structure (C) acts on the X-axis and Z-axis coordinate system from the intersection arrangement structure of the upper and the lower girder body 21a and 21b in the Z-axis direction and the X- The ground friction force can be simultaneously detected.

일례로, 어퍼 기지체(21a)가 XYZ좌표계를 기준으로 할 때 X축 방향으로 배열되고, 반면 로어 기지체(21b)가 XYZ좌표계를 기준으로 할 때 Y축 방향으로 배열됨으로써 어퍼 기지체(21a)와 로어 기지체(21b)가 서로에 대해 90ㅀ 방향으로 교차될 수 있다.For example, when the upper supporting body 21a is arranged in the X-axis direction with respect to the XYZ coordinate system, while the lower supporting body 21b is arranged in the Y-axis direction with respect to the XYZ coordinate system, And the lower girder body 21b may intersect with each other in the 90 占 direction.

이러한 상태에서 서로 90ㅀ 방향으로 교차된 어퍼 기지체(21a)에는 제1 섬유매트릭스(22)가 내장되며, 로어 기지체(21b)에는 제2 섬유매트릭스(23)가 내장된다.In this state, the first fibrous matrix 22 is embedded in the upper supporting member 21a and the second fibrous matrix 23 is embedded in the lower supporting member 21b.

그러므로, 상기 복층 복합구조체(C)에서는 어퍼 기지체(21a)와 로어 기지체(21b)가 각각 서로 다른 두 방향의 힘을 측정할 수 있다. 하지만, 상기 어퍼 기지체(21a)와 상기 로어 기지체(21b)의 배열은 복층 복합구조체(C)가 움직이는 방향 및 접지압이 발생하는 면에 따라 배열 구조에 변화를 줄 수 있다.Therefore, in the multi-layer composite structure (C), the upper supporting body 21a and the lower supporting body 21b can measure forces in two different directions, respectively. However, the arrangement of the upper supporting body 21a and the lower supporting body 21b can change the arrangement structure depending on the direction in which the multilayer composite structure C moves and the surface on which the grounding pressure is generated.

일례로, XYZ좌표계를 기준으로 할 때 Z축 방향으로 서로 수직하게 적층된 어퍼 기지체(21a)의 제1 섬유매트릭스(22)와 로어 기지체(21b)의 제2 섬유매트릭스(23)는 Z축 방향으로 수직하게 작용하는 접지압을 검출할 수 있다.For example, the first fibrous matrix 22 of the upper supporting body 21a and the second fibrous matrix 23 of the lower supporting body 21b, which are stacked perpendicularly to each other in the Z-axis direction with reference to the XYZ coordinate system, It is possible to detect the ground pressure acting perpendicularly to the axial direction.

또한, XYZ좌표계를 기준으로 할 때 X축과 Y축 방향으로 각각 수평하게 배열된 어퍼 기지체(21a)의 제1 섬유매트릭스(22)와 로어 기지체(21b)의 제2 섬유매트릭스(23)는 X축이나 Y축 방향으로 각각 이동될 때 지면마찰력을 측정할 수 있다.The first fibrous matrix 22 of the upper supporting body 21a and the second fibrous matrix 23 of the lower supporting body 21b, which are arranged horizontally in the X-axis and Y-axis directions respectively with reference to the XYZ coordinate system, Can measure the ground friction force when moved in the X-axis direction or the Y-axis direction, respectively.

한편, 제3실시예에 따른 복층 복합구조체(C)에서는 압전 섬유의 수량에서 제1실시예에 따른 단층 복합구조체(A)나 제2실시예에 따른 단일 복합구조체(B)와 다를 수 있다.On the other hand, the number of piezoelectric fibers in the multilayer composite structure (C) according to the third embodiment may be different from the single-layer composite structure (A) according to the first embodiment or the single composite structure (B) according to the second embodiment.

일례로, 제3실시예에 따른 복층 복합구조체(C)의 제1 섬유매트릭스(22)는 제1 압전 섬유(22a)와 제2 압전 섬유(22b) 및 제3 압전 섬유(22c)로 이루어지고, 반면 제2 섬유매트릭스(23)는 제1 압전 섬유(23a)와 제2 압전 섬유(23b) 및 제3 압전 섬유(23c)과 제4 압전 섬유(23d)로 이루어진다.For example, the first fiber matrix 22 of the multilayer composite structure C according to the third embodiment comprises the first piezoelectric fiber 22a, the second piezoelectric fiber 22b, and the third piezoelectric fiber 22c While the second fiber matrix 23 comprises the first piezoelectric fiber 23a and the second piezoelectric fiber 23b and the third piezoelectric fiber 23c and the fourth piezoelectric fiber 23d.

그러므로, 제3실시예에 따른 복층 복합구조체(C)의 압전 섬유 수량은 제1실시예의 단층 복합구조체(A)나 제2실시예의 단일 복합구조체(B)의 압전 섬유 수량에 비해 상대적으로 많은 수량으로 이루어질 수 있다.Therefore, the quantity of piezoelectric fibers of the multilayer composite structure C according to the third embodiment is relatively larger than the quantity of piezoelectric fibers of the single-layer composite structure A of the first embodiment or the single composite structure B of the second embodiment ≪ / RTI >

본 발명에서, 제3실시예의 복층 복합구조체(C)는 제1실시예의 단층 복합구조체(A)와 제2실시예의 단일 복합구조체(B)의 구성성분과 재질이 모두 동일하다.In the present invention, the multi-layer composite structure (C) of the third embodiment is the same in constituent components and materials of the single-layer composite structure (A) of the first embodiment and the single composite structure (B) of the second embodiment.

한편, 도 4는 본 발명에 따른 압전 섬유 복합재료 구조체를 이용한 다축 힘 측정 장치의 구성을 나타낸다.4 shows the structure of a multi-axis force measuring apparatus using the piezoelectric fiber composite material structure according to the present invention.

도시된 바와 같이, 다축 힘 측정 장치는 적어도 2축 방향의 힘을 측정하는 단층 복합구조체(A)나 단일 복합구조체(B)나 또는 복층 복합구조체(C)와, 단층 복합구조체(A)나 단일 복합구조체(B)나 또는 복층 복합구조체(C)에서 발생된 전기신호를 증폭해주는 신호 증폭기(100)와, 증폭된 전기신호를 수집하고 분석하여 측정된 힘 크기를 계산해주는 신호 처리기(200)로 구성된다.As shown in the figure, the multi-axial force measuring device comprises a single-layer composite structure (A), a single composite structure (B) or a multi-layer composite structure (C) A signal amplifier 100 for amplifying an electric signal generated in the complex structure B or the multilayer composite structure C and a signal processor 200 for collecting and analyzing the amplified electric signal and calculating the measured force magnitude .

상기 신호 증폭기(100)는 단층 복합구조체(A)나 단일 복합구조체(B)나 또는 복층 복합구조체(C)에서 발생된 전기신호의 전하량를 증폭한다. 상기 신호 처리기(200)는 노트북을 포함한 퍼스널 컴퓨터이지만, 필요에 따라 다양한 컴퓨터 기기가 사용될 수 있다.The signal amplifier 100 amplifies the charge amount of the electric signal generated in the single-layer composite structure A, the single composite structure B, or the double-layer composite structure C. Although the signal processor 200 is a personal computer including a notebook computer, various computer devices can be used as needed.

한편, 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 단층 복합구조체(A)를 이용한 다축 힘 측정 장치의 작동상태를 나타낸다.5 shows an operating state of the multi-axial force measuring apparatus using the single-layer composite structure A according to the first embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이, 다축 힘 측정 장치는 단층 복합구조체(A)와, 단층 복합구조체(A)에 연결된 신호 증폭기(100)와, 신호 증폭기(100)에 연결된 신호 처리기(200)로 구성된다.As shown in the figure, the multiaxial force measuring apparatus comprises a single-layer composite structure A, a signal amplifier 100 connected to the single-layer composite structure A, and a signal processor 200 connected to the signal amplifier 100.

이때, 단층 복합구조체(A)와 신호 증폭기(100)는 전기적 신호를 수집할 수 있는 얇은 전선이 부착되며, 상기 얇은 전선은 단층 복합구조체(A)의 제1 매트리스섬유(2)와 제2 매트리스섬유(3) 및 제3 매트리스섬유(5)를 이루는 압전 섬유의 끝 부분으로 부착된다.At this time, a thin electric wire is attached to the single-layer composite structure A and the signal amplifier 100 to collect an electric signal, and the thin electric wire is connected to the first mattress fiber 2 of the single- Is attached to the end of the piezoelectric fiber constituting the fiber (3) and the third mattress fiber (5).

상기와 같이 다축 힘 측정 장치가 측정을 위한 세팅이 완료되면, 단층 복합구조체(A)는 XYZ 좌표계에서 적어도 2축(X축 및 Z축)에 작용하는 힘에 반응함으로써 각각의 축에 대한 전기신호(a,b)가 발생된다.When the multiaxial force measuring apparatus is set for measurement, the single-layer composite structure A reacts with a force acting on at least two axes (X axis and Z axis) in the XYZ coordinate system, (a, b) are generated.

일례로, 제1 섬유매트릭스(2)에서 전기신호(a)가 생성되고, 한쌍의 제2 및 제3 섬유매트릭스(3,5)에서 또 다른 전기신호(b)가 생성되면, 상기 전기신호(a)는 XYZ좌표계에서 Z축 방향으로 작용하는 접지압을 나타내고, 반면 또 다른 상기 전기신호(b)는 XYZ좌표계에서 Y축 방향으로 이동될 때 작용하는 지면마찰력을 나타낸다.For example, if an electrical signal a is generated in the first fiber matrix 2 and another electrical signal b is generated in the pair of second and third fiber matrices 3 and 5, a) represents the ground pressure acting in the Z-axis direction in the XYZ coordinate system while another electrical signal (b) represents the ground friction acting in the Y-axis direction in the XYZ coordinate system.

상기와 같이 단층 복합구조체(A)에서 나온 2개의 전기신호(a,b)는 신호 증폭기(100)에서 검출되고, 신호 증폭기(100)로 입력된 2개의 전기신호(a,b)는 전하량이 증폭된 후 신호 처리기(200)로 입력된다.The two electric signals a and b from the single layer composite structure A are detected by the signal amplifier 100 and the two electric signals a and b inputted to the signal amplifier 100 And amplified and input to the signal processor 200.

이때, 신호 증폭은 압전 섬유에서 발생되는 전기적 신호가 극히 적은 미소량임에 기인된다.At this time, signal amplification is caused by an extremely small amount of electrical signals generated from the piezoelectric fibers.

상기 신호 처리기(200)에서는 증폭된 2개의 전기신호(a,b)를 분석함으로써 1개의 전기신호(a)에서 접지압을 계산하고, 또 다른 1개의 전기신호(b)에서 지면마찰력을 계산하고, 그 결과들을 출력하여 준다.The signal processor 200 calculates the ground pressure in one electric signal a by calculating the two electric signals a and b amplified and calculates the ground friction force in the other electric signal b, And outputs the results.

한편, 도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 단일 복합구조체(B)를 이용한 다축 힘 측정 장치의 작동상태를 나타낸다.6 shows an operating state of the multi-axial force measuring apparatus using the single composite structure B according to the second embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이, 다축 힘 측정 장치는 단일 복합구조체(B)와, 단일 복합구조체(B)에 연결된 신호 증폭기(100)와, 신호 증폭기(100)에 연결된 신호 처리기(200)로 구성되고, 단일 복합구조체(B)의 제1 매트리스섬유(12)와 제2 매트리스섬유(13) 및 제3 매트리스섬유(15)를 이루는 압전 섬유의 끝 부분으로 얇은 전선이 부착되며, 상기 얇은 전선은 신호 증폭기(100)에서 전기적 신호를 수집할 수 있도록 연결된다.As shown, the multiaxial force measuring apparatus comprises a single complex structure B, a signal amplifier 100 connected to the single complex structure B, and a signal processor 200 connected to the signal amplifier 100, A thin wire is attached to the end of the piezoelectric fiber constituting the first mattress fiber 12 of the composite structure B and the second mattress fiber 13 and the third mattress fiber 15 and the thin wire is connected to a signal amplifier 100 to collect electrical signals.

상기와 같이 단일 복합구조체(B)를 이용한 다축 힘 측정 장치도 단층 복합구조체(A)를 이용한 다축 힘 측정 장치와 동일하다.As described above, the multiaxial force measuring device using the single composite structure (B) is the same as the multiaxial force measuring device using the single-layer composite structure (A).

즉, 단일 복합구조체(B)는 한쌍의 제2 및 제3 섬유매트릭스(13,15)에서 전기신호(c)가 생성되고, 제1 섬유매트릭스(12)에서 또 다른 전기신호(d)가 생성되며, 상기 전기신호(c)는 XYZ좌표계에서 Z축 방향으로 작용하는 접지압을 나타내고, 반면 또 다른 상기 전기신호(d)는 XYZ좌표계에서 Y축 방향으로 이동될 때 작용하는 지면마찰력을 나타낸다.That is, in the single composite structure B, an electric signal c is generated in the pair of second and third fiber matrices 13 and 15, and another electric signal d is generated in the first fiber matrix 12 (C) represents an earth pressure acting in the Z-axis direction in the XYZ coordinate system while another electric signal (d) represents a ground friction force acting in the Y-axis direction in the XYZ coordinate system.

다만, 단일 복합구조체(B)를 이용한 다축 힘 측정 장치는 제1 섬유매트릭스(12)의 압전 섬유와 한쌍의 제2 및 제3 섬유매트릭스(13,15)의 압전 섬유는 서로 다른 분극 처리 방향을 가짐으로써 전기신호(c,d)의 크기가 상대적으로 큰 상태로 생성될 수 있다.However, in the multiaxial force measuring device using the single composite structure (B), the piezoelectric fibers of the first fiber matrix 12 and the piezoelectric fibers of the pair of second and third fiber matrices 13 and 15 have different polarization processing directions So that the electric signals c and d can be generated in a relatively large size.

그러므로, 신호 증폭기(100)에서 증폭된 2개의 전기신호(c,d)가 신호 처리기(200)에서 분석됨으로써 1개의 전기신호(c)로부터 접지압이 계산되고, 또 다른 1개의 전기신호(d)로부터 지면마찰력이 계산되고, 그 결과들이 출력될 수 있다.Therefore, the two electrical signals c and d amplified in the signal amplifier 100 are analyzed in the signal processor 200 so that the ground pressure is calculated from one electrical signal c, The ground friction force can be calculated and the results can be output.

한편, 도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 다층 복합구조체(C)를 이용한 다축 힘 측정 장치의 작동상태를 나타낸다.7 shows an operating state of the multi-axial force measuring apparatus using the multilayer composite structure C according to the third embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이, 다축 힘 측정 장치는 다층 복합구조체(C)와, 다층 복합구조체(C)에 연결된 신호 증폭기(100)와, 신호 증폭기(100)에 연결된 신호 처리기(200)로 구성되고, 다층 복합구조체(C)의 제1 매트리스섬유(22)와 제2 매트리스섬유(23)를 이루는 압전 섬유의 끝 부분으로 얇은 전선이 부착되며, 상기 얇은 전선은 신호 증폭기(100)에서 전기적 신호를 수집할 수 있도록 연결된다.As shown in the figure, the multiaxial force measuring apparatus comprises a multilayer composite structure C, a signal amplifier 100 connected to the multilayer composite structure C, and a signal processor 200 connected to the signal amplifier 100, A thin wire is attached to the end of the piezoelectric fiber constituting the first mattress fiber 22 and the second mattress fiber 23 of the composite structure C and the thin wire collects an electrical signal in the signal amplifier 100 .

상기와 같이 다층 복합구조체(C)를 이용한 다축 힘 측정 장치도 단층 복합구조체(A)나 또는 단일 복합구조체(B)를 이용한 다축 힘 측정 장치와 동일하다.The multiaxial force measuring apparatus using the multilayer composite structure (C) is the same as the multiaxial force measuring apparatus using the single-layer composite structure (A) or the single composite structure (B).

즉, 다층 복합구조체(C)는 한쌍의 제1 섬유매트릭스(23)와 제2 섬유매트릭스(25)에서 전기신호(e)가 생성되고, 한쌍의 제1 섬유매트릭스(23)와 제2 섬유매트릭스(25)에서 다른 전기신호(f)나 또는 또 다른 전기신호(g)가 생성된다.That is, in the multilayer composite structure C, an electric signal e is generated in a pair of the first fiber matrix 23 and the second fiber matrix 25, and a pair of the first fiber matrix 23 and the second fiber matrix 25 Another electric signal f or another electric signal g is generated in the electric signal generator 25.

상기 전기신호(e)는 XYZ좌표계에서 Z축 방향으로 작용하는 접지압을 나타낸다.The electric signal (e) represents an earth pressure acting in the Z-axis direction in the XYZ coordinate system.

다만, 다른 상기 전기신호(f)는 XYZ좌표계에서 Y축 방향으로 이동될 때 작용하는 지면마찰력을 나타내고, 반면 또 다른 상기 전기신호(f)는 XYZ좌표계에서 Y축 방향으로 이동될 때 작용하는 지면마찰력을 나타낸다.However, the other electric signal f represents a ground friction force acting when moving in the Y-axis direction in the XYZ coordinate system, while the other electric signal f is a ground surface acting in the Y- It represents friction force.

그러므로, 신호 증폭기(100)에서 증폭된 2개의 전기신호(e,f)가 신호 처리기(200)에서 각각 분석됨으로써 1개의 전기신호(e)로부터 접지압이 계산되고, 다른 1개의 전기신호(f)로부터 지면마찰력이 계산되고, 그 결과들이 출력될 수 있다.Therefore, the two electric signals e and f amplified in the signal amplifier 100 are analyzed in the signal processor 200, respectively, so that the grounding pressure is calculated from one electric signal e and the other electric signal f, The ground friction force can be calculated and the results can be output.

이때, 상기 전기신호(f)에 의한 지면마찰력은 다층 복합구조체(C)가 XYZ 좌표계에서 Y축 방향으로 이동될 때 발생되는 지면마찰력이다.At this time, the ground friction force caused by the electric signal (f) is the ground friction generated when the multilayer composite structure (C) moves in the Y-axis direction from the XYZ coordinate system.

또한, 신호 증폭기(100)에서 증폭된 다른 2개의 전기신호(e,g)가 신호 처리기(200)에서 각각 분석됨으로써 1개의 전기신호(e)로부터 접지압이 계산되고, 또 다른 1개의 전기신호(g)로부터 지면마찰력이 계산되고, 그 결과들이 출력될 수 있다.The two other electric signals e and g amplified by the signal amplifier 100 are analyzed in the signal processor 200 so that the ground pressure is calculated from one electrical signal e and another electrical signal e g), and the results can be output.

이때, 상기 전기신호(g)에 의한 지면마찰력은 다층 복합구조체(C)가 XYZ 좌표계에서 X축 방향으로 이동될 때 발생되는 지면마찰력이다.At this time, the ground friction force by the electric signal g is the ground friction generated when the multilayer composite structure C is moved in the X-axis direction in the XYZ coordinate system.

따라서, 다층 복합구조체(C)를 이용한 다축 힘 측정 장치에서는 XYZ 좌표계에서 Z축 방향의 접지압 측정을 기본으로 하고, X축 방향의 이동에 의한 지면마찰력과 Y축 방향의 이동에 의한 지면마찰력을 함께 측정할 수 있는 편리함을 갖는 다.Therefore, in the multi-axial force measurement apparatus using the multilayer composite structure C, the ground contact pressure measurement in the Z-axis direction in the XYZ coordinate system is basically performed and the ground friction force in the X-axis direction and the ground friction force in the Y- It has convenience to measure.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 압전 섬유 복합재료 구조체에는 XYZ좌표계를 기준으로 할 때, 적어도 2축으로 각각 압전 섬유가 배열되고, 상기 2축중 1개의 축에서는 XYZ좌표계의 수직성분인 Z축에 작용하는 외부 힘이 검출되며, 상기 2축중 다른 1개의 축에서는 XYZ좌표계의 수평성분인 X좌표나 Y좌표에 각각 작용하는 외부 힘이 검출되고, 상기 압전 섬유는 외부완경으로부터 내부를 보호하는 보호기지체(1,10,20)가 감싸도록 구성됨으로써 적어도 2축에 각각 작용하는 접지압 및 지면 마찰력이 동시에 검출될 수 있고, 특히 적어도 2축에 대해 압전 섬유의 배열 방향이 다양한 방식으로 최적화됨으로써 각각 측정되어진 힘에 대한 정밀도와 신뢰도가 크게 향상될 수 있다.As described above, in the piezoelectric fiber composite material structure according to the present embodiment, piezoelectric fibers are arranged in at least two axes on the basis of an XYZ coordinate system, and in one of the two axes, a Z axis And an external force acting on the X coordinate or the Y coordinate, which is a horizontal component of the XYZ coordinate system, is detected in one of the axes of the two axes, and the piezoelectric fiber is provided with a protector The grounding pressure and the ground friction acting respectively on at least two axes can be detected at the same time, and in particular, the arrangement direction of the piezoelectric fibers with respect to at least two axes can be optimized in various ways, The precision and reliability of the force can be greatly improved.

1,10,20 : 보호기지체 2,12, 22: 제1 섬유매트릭스
2a,3a,5a,12a,13a,15a,22a,23a : 제1 압전 섬유
2b,3b,5b,12b,13b,15b,22b,23b : 제2 압전 섬유
3c,5c,22c,23c : 제3 압전 섬유
23d : 제4 압전 섬유
3,13,23 : 제2 섬유매트릭스 5,15 : 제3 섬유매트릭스
21a : 어퍼 기지체 21b : 로어 기지체
100 : 신호 증폭기 200 : 신호 처리기
A : 단층 복합구조체 B : 단일 복합구조체
C : 복층 복합구조체
a,b,c,d,e,f,g : 전기신호1, 10, 20: protecting group retardation 2,12, 22: first fiber matrix
2a, 3a, 5a, 12a, 13a, 15a, 22a, 23a:
2b, 3b, 5b, 12b, 13b, 15b, 22b, and 23b:
3c, 5c, 22c, and 23c: third piezoelectric fiber
23d: fourth piezoelectric fiber
3, 13, 23: second fiber matrix 5, 15: third fiber matrix
21a: upper retarder body 21b: lower retarder body
100: signal amplifier 200: signal processor
A: single layer composite structure B: single composite structure
C: Multilayer composite structure
a, b, c, d, e, f, g: electric signal

Claims (23)

X축과 Y축이 평면을 형성하고, 상기 평면에 Z축이 수직한 XYZ좌표계를 기준으로 할 때,
상기 Z축의 방향으로 제1 힘측정 압전 섬유가 배열되고 더불어 상기 X축의 방향이나 상기 Y축의 방향중 어느 하나로 제2 힘측정 압전 섬유가 배열되며, 상기 제1 힘측정 압전 섬유에서는 상기 Z축에 작용하는 외부 힘이 검출되며, 상기 제2 힘측정 압전 섬유에서는 X축이나 Y축에 각각 작용하는 외부 힘이 검출되고, 상기 제1 힘측정 압전 섬유 및 상기 제2 힘측정 압전 섬유는 외부환경으로부터 내부를 보호하는 보호기지체가 감싸는
것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재료 구조체.
When an XYZ coordinate system in which the X axis and the Y axis form a plane and the Z axis is perpendicular to the plane is taken as a reference,
The first force measuring piezoelectric fibers are arranged in the direction of the Z axis and the second force measuring piezoelectric fibers are arranged in either the direction of the X axis or the direction of the Y axis, The external force acting on the X axis or the Y axis is detected in the second force measuring piezoelectric fiber, and the first force measuring piezoelectric fiber and the second force measuring piezoelectric fiber are detected from the external environment Protectors that protect
Wherein the piezoelectric fiber composite material structure is a piezoelectric fiber composite material.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 힘측정 압전 섬유 및 상기 제2 힘측정 압전 섬유는 제작 시 분극 처리 방향을 각각 다르게 하는 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재료 구조체.
The piezoelectric fiber composite material structure according to claim 1, wherein the first force measuring piezoelectric fiber and the second force measuring piezoelectric fiber have different polarization processing directions at the time of manufacture.
청구항 2에 있어서, 상기 제1 힘측정 압전 섬유 및 상기 제2 힘측정 압전 섬유는 PVDF, 폴리펩티드, 폴리프로필렌중 어느 하나가 적용되어 이루어진 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재료 구조체.
The piezoelectric fiber composite structure according to claim 2, wherein the first force measuring piezoelectric fiber and the second force measuring piezoelectric fiber are made of PVDF, a polypeptide, or polypropylene.
청구항 1에 있어서, 상기 보호기지체는 고분자 기지인 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재료 구조체.
The piezoelectric fiber composite material structure according to claim 1, wherein the protecting group support is a polymer base.
청구항 4에 있어서, 상기 고분자 기지는 고분자재료, 탄성 중합체, 폴리이미드 필름중 어느 하나가 적용되어 이루어진 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재료 구조체.
[6] The piezoelectric fiber composite material structure according to claim 4, wherein the polymer matrix is formed by applying any one of a polymer material, an elastomer, and a polyimide film.
청구항 1에 있어서, 상기 보호기지체는 상기 제1 힘측정 압전 섬유 및 상기 제2 힘측정 압전 섬유가 배열된 2축중 1개의 축에 배열된 상기 제1 힘측정 압전 섬유와, 다른 1개의 축에 배열된 상기 제2 힘측정 압전 섬유를 내부로 함께 수용하고, 상기 보호기지체는 일체로 형성된 단층 구조인 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재료 구조체.
The piezoelectric device according to claim 1, wherein the protective gear support comprises: the first force measuring piezoelectric fiber arranged on one of two axes on which the first force measuring piezoelectric fiber and the second force measuring piezoelectric fiber are arranged; Wherein the second force-measuring piezoelectric fiber is accommodated together with the second force-measuring piezoelectric fiber, and the protector support is a single-layer structure integrally formed.
청구항 6에 있어서, 상기 제1 힘측정 압전 섬유 및 상기 제2 힘측정 압전 섬유가 배열된 2축중 1개의 축이 XYZ좌표계에서 Z축일 때 상기 제1 힘측정 압전 섬유는 수직하게 적층됨으로써 Z축 방향으로 수직한 힘을 측정하고, 다른 1개의 축이 XYZ좌표계에서 X축일 때 상기 제2 힘측정 압전 섬유는 수평하게 배열됨으로써 Y축 방향으로 이동하는 힘을 측정하는 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재료 구조체.

[7] The method of claim 6, wherein when the first force measuring piezoelectric fiber and the second force measuring piezoelectric fiber are arranged in a Z axis in the XYZ coordinate system, the first force measuring piezoelectric fibers are stacked vertically, And the second force-measuring piezoelectric fibers are arranged horizontally when the other one axis is the X-axis in the XYZ coordinate system, thereby measuring the force moving in the Y-axis direction. .

청구항 7에 있어서, 상기 제1 힘측정 압전 섬유 및 상기 제2 힘측정 압전 섬유는 적어도 1개 이상을 갖춘 섬유매트릭스로 이루어지고, 상기 섬유매트릭스는 상기 2축에 각각 배열되어 상기 단층 구조인 상기 보호기지체의 내부로 수용되는 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재료 구조체.
[Claim 7] The method according to claim 7, wherein the first force measuring piezoelectric fiber and the second force measuring piezoelectric fiber are formed of a fiber matrix having at least one or more than one, and the fiber matrix is arranged in each of the two axes, And the piezoelectric fiber composite material structure is accommodated in the inside of the body.
청구항 8에 있어서, 상기 섬유매트릭스는 상기 제1 힘측정 압전 섬유 및 상기 제2 힘측정 압전 섬유가 배열된 2축중 XYZ좌표계의 수직성분인 Z축에 1개의 섬유매트릭스가 배열되면, XYZ좌표계의 수평성분인 X축이나 Y축중 어느 하나의 축에 2개의 섬유매트릭스가 배열되는 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재료 구조체.
[9] The method of claim 8, wherein, when one fiber matrix is arranged on the Z axis, which is a vertical component of the XYZ coordinate system of two axes in which the first force measurement piezoelectric fiber and the second force measurement piezoelectric fiber are arranged, Wherein two fiber matrices are arranged on either one of the X axis and the Y axis.
청구항 9에 있어서, 상기 X축이나 Y축중 어느 하나의 축에 배열된 2개의 섬유매트릭스는 상기 Z축에 배열된 1개의 섬유매트릭스의 좌우 양쪽으로 각각 배열되는 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재료 구조체.
The piezoelectric fiber composite material structure according to claim 9, wherein the two fiber matrices arranged on any one of the X axis and the Y axis are arranged on both right and left sides of one fiber matrix arranged on the Z axis.
청구항 1에 있어서, 상기 보호기지체는 상기 제1 힘측정 압전 섬유 및 상기 제2 힘측정 압전 섬유가 배열된 2축중 1개의 축에 배열된 상기 제1 힘측정 압전 섬유와, 다른 1개의 축에 배열된 상기 제2 힘측정 압전 섬유를 내부로 함께 수용하고, 상기 1개의 축에 배열된 상기 제1 힘측정 압전 섬유와 상기 다른 1개의 축에 배열된 상기 제2 힘측정 압전 섬유가 서로 교차하며, 상기 보호기지체는 일체로 형성된 단일 구조인 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재료 구조체.
The piezoelectric device according to claim 1, wherein the protective gear support comprises: the first force measuring piezoelectric fiber arranged on one of two axes on which the first force measuring piezoelectric fiber and the second force measuring piezoelectric fiber are arranged; And the second force-measuring piezoelectric fibers arranged on the other axis intersect with each other, and the second force-measuring piezoelectric fibers arranged on the other axis cross each other, Wherein the protective group support is a single structure integrally formed.
청구항 11에 있어서, 상기 제1 힘측정 압전 섬유 및 상기 제2 힘측정 압전 섬유가 배열된 2축중 1개의 축이 XYZ좌표계에서 Z축일 때 상기 제1 힘측정 압전 섬유는 수직하게 적층됨으로써 Z축 방향으로 수직한 힘을 측정하고, 다른 1개의 축이 XYZ좌표계에서 Y축일 때 상기 제2 힘측정 압전 섬유는 수평하게 배열됨으로써 X축 방향으로 이동하는 힘을 측정하는 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재료 구조체.
[12] The method of claim 11, wherein when the first force measuring piezoelectric fiber and the second force measuring piezoelectric fiber are arranged in a Z axis in an XYZ coordinate system, the first force measuring piezoelectric fibers are stacked vertically, And the second force-measuring piezoelectric fibers are arranged horizontally when the other one axis is the Y-axis in the XYZ coordinate system, thereby measuring the force moving in the X-axis direction. .
청구항 12에 있어서, 상기 제1 힘측정 압전 섬유 및 상기 제2 힘측정 압전 섬유는 적어도 1개 이상을 갖춘 섬유매트릭스로 이루어지고, 상기 섬유매트릭스는 상기 2축에 각각 배열되어 상기 단일 구조인 상기 보호기지체의 내부로 수용되는 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재료 구조체.
[Claim 12] The method according to claim 12, wherein the first force measuring piezoelectric fiber and the second force measuring piezoelectric fiber are made of a fiber matrix having at least one or more than one, and the fiber matrix is arranged on each of the two axes, And the piezoelectric fiber composite material structure is accommodated in the inside of the body.
청구항 13에 있어서, 상기 섬유매트릭스는 상기 제1 힘측정 압전 섬유 및 상기 제2 힘측정 압전 섬유가 배열된 2축중 XYZ좌표계의 수평성분인 X축이나 Y축중 어느 하나의 축에 1개의 섬유매트릭스가 배열되면, XYZ좌표계의 수직성분인 Z축에 2개의 섬유매트릭스가 배열되는 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재료 구조체.
[Claim 14] The method of claim 13, wherein the fiber matrix comprises one fiber matrix on either one of the X axis and the Y axis, which is a horizontal component of the XYZ coordinate system of the two axes in which the first force measurement piezoelectric fiber and the second force measurement piezoelectric fiber are arranged And when arranged, two fiber matrices are arranged in the Z axis which is a vertical component of the XYZ coordinate system.
청구항 14에 있어서, 상기 Z축에 배열된 2개의 섬유매트릭스는 상기 X축이나 Y축중 어느 하나의 축에 배열된 1개의 섬유매트릭스의 좌우 양쪽으로 각각 배열되는 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재료 구조체.
15. The piezoelectric fiber composite material structure according to claim 14, wherein the two fiber matrices arranged on the Z axis are arranged on both right and left sides of one fiber matrix arranged on any one of the X axis and the Y axis.
청구항 1에 있어서, 상기 보호기지체는 상기 제1 힘측정 압전 섬유 및 상기 제2 힘측정 압전 섬유가 배열된 2축중 1개의 축에 배열된 상기 제1 힘측정 압전 섬유를 내부로 수용하는 어퍼 기지체와, 다른 1개의 축에 배열된 상기 제2 힘측정 압전 섬유를 내부로 수용하는 로어 기지체로 구성되고, 상기 어퍼 기지체와 상기 로어 기지체는 서로 적층되는 복층 구조인 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재료 구조체.
[Claim 2] The method of claim 1, wherein the protective gear support comprises an upper supporting member for accommodating the first force measuring piezoelectric fiber arranged in one of two axes on which the first force measuring piezoelectric fiber and the second force measuring piezoelectric fiber are arranged, And a lower base body accommodating therein the second force-measuring piezoelectric fibers arranged on another axis, wherein the upper supporting body and the lower supporting body are laminated to each other. Material structure.
청구항 16에 있어서, 상기 제1 힘측정 압전 섬유 및 상기 제2 힘측정 압전 섬유가 배열된 2축중 1개의 축이 XYZ좌표계에서 X축일 때 상기 제2 힘측정 압전 섬유는 X축 방향으로 수평하게 배열됨으로써 Y축 방향으로 이동하는 힘을 측정하고, 다른 1개의 축이 XYZ좌표계에서 Y축일 때 상기 제2 힘측정 압전 섬유는 Y축 방향으로 수평하게 배열됨으로써 X축 방향으로 이동하는 힘을 측정하며, 상기 어퍼 기지체의 제1 힘측정 압전 섬유와 상기 로어 기지체의 상기 제2 힘측정 압전 섬유에 의해 Z축 방향으로 수직한 힘을 측정하는 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재료 구조체.
The piezoelectric force measuring apparatus according to claim 16, wherein, when one axis among the two axes in which the first force measuring piezoelectric fiber and the second force measuring piezoelectric fiber are arranged is the X axis in the XYZ coordinate system, the second force measuring piezoelectric fibers are arranged horizontally And the second force measuring piezoelectric fibers are horizontally arranged in the Y-axis direction when one of the other axes is Y-axis in the XYZ coordinate system, thereby measuring a force moving in the X-axis direction, And the force perpendicular to the Z axis direction is measured by the first force measuring piezoelectric fiber of the upper supporting body and the second force measuring piezoelectric fiber of the lower supporting body.
청구항 7에 있어서, 상기 제1 힘측정 압전 섬유 및 상기 제2 힘측정 압전 섬유는 적어도 1개 이상을 갖춘 섬유매트릭스로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재료 구조체.
The piezoelectric fiber composite structure according to claim 7, wherein the first force measuring piezoelectric fiber and the second force measuring piezoelectric fiber are made of a fiber matrix having at least one or more.
X축과 Y축이 평면을 형성하고, 상기 평면에 Z축이 수직한 XYZ좌표계를 기준으로 할 때, 상기 Z축의 방향으로 제1 힘측정 압전 섬유가 배열되고 더불어 상기 X축의 방향이나 상기 Y축의 방향중 어느 하나로 제2 힘측정 압전 섬유가 배열되며, 상기 제1 힘측정 압전 섬유에서는 상기 Z축에 작용하는 외부 힘이 검출되며, 상기 제2 힘측정 압전 섬유에서는 X축이나 Y축에 각각 작용하는 외부힘이 검출되고, 상기 제1 힘측정 압전 섬유 및 상기 제2 힘측정 압전 섬유는 외부환경으로부터 내부를 보호하는 보호기지체가 감싸는 압전 섬유 복합재료 구조체와;
상기 압전 섬유 복합재료 구조체에서 발생된 전기신호를 증폭해주는 신호 증폭기와;
상기 증폭된 전기신호를 수집하고 분석하여 측정된 힘 크기를 상기 제1 힘측정 압전 섬유 및 상기 제2 힘측정 압전 섬유가 배열된 2축 방향으로 각각 계산해주는 신호 처리기;
가 포함된 것을 특징으로 하는 다축 힘 측정 장치.
The first force measuring piezoelectric fibers are arranged in the direction of the Z axis when the X axis and the Y axis form a plane and the X axis coordinate system in which the Z axis is perpendicular to the plane is set as a reference and the direction of the X axis or the Y axis And the second force-measuring piezoelectric fiber is arranged in one of the first and second force-measuring piezoelectric fibers, and the external force acting on the Z-axis is detected in the first force-measuring piezoelectric fiber, Wherein the first force measuring piezoelectric fiber and the second force measuring piezoelectric fiber are surrounded by a protective member protecting the inside from the external environment;
A signal amplifier for amplifying an electric signal generated in the piezoelectric fiber composite structure;
A signal processor for collecting and analyzing the amplified electric signal and calculating a measured force magnitude in two axial directions in which the first force measuring piezoelectric fiber and the second force measuring piezoelectric fiber are arranged;
Axis force measuring device.
청구항 19에 있어서, 상기 제1 힘측정 압전 섬유 및 상기 제2 힘측정 압전 섬유의 각각은 끝부분으로 전기적 신호가 수집되는 얇은 전선이 부착되는 것을 특징으로 하는 다축 힘 측정 장치.
21. The apparatus according to claim 19, wherein each of the first force measuring piezoelectric fiber and the second force measuring piezoelectric fiber is attached with a thin wire through which an electrical signal is collected at an end portion thereof.
청구항 19에 있어서, 상기 압전 섬유 복합재료 구조체는 상기 보호기지체가 단층 구조로 이루어져 상기 제1 힘측정 압전 섬유 및 상기 제2 힘측정 압전 섬유가 배열된 2축중 1개의 축에 배열된 상기 제1 힘측정 압전 섬유와, 다른 1개의 축에 배열된 상기 제2 힘측정 압전 섬유를 내부로 함께 수용된 것을 특징으로 하는 다축 힘 측정 장치.
21. The piezoelectric fiber composite structure according to claim 19, wherein the piezoelectric fiber composite material structure is formed by arranging the first force measuring piezoelectric fiber and the second force measuring piezoelectric fiber in a single layer structure, And the second force-measuring piezoelectric fibers arranged on the other one axis are housed together.
청구항 19에 있어서, 상기 압전 섬유 복합재료 구조체는 상기 보호기지체가 단일 구조로 이루어져 상기 제1 힘측정 압전 섬유 및 상기 제2 힘측정 압전 섬유가 배열된 2축중 1개의 축에 배열된 상기 제1 힘측정 압전 섬유와, 다른 1개의 축에 배열된 상기 제2 힘측정 압전 섬유를 내부로 함께 수용하고, 상기 1개의 축에 배열된 상기 제1 힘측정 압전 섬유와 상기 다른 1개의 축에 배열된 상기 제2 힘측정 압전 섬유가 서로 교차하도록 배열된 것을 특징으로 하는 다축 힘 측정 장치.
21. The piezoelectric fiber composite structure according to claim 19, wherein the piezoelectric fiber composite structure is formed by arranging the first force measuring piezoelectric fibers and the second force measuring piezoelectric fibers in a single structure, Measuring piezoelectric fibers and the second force measuring piezoelectric fibers arranged on another axis are housed together, and the first force measuring piezoelectric fibers arranged on the one axis and the second force measuring piezoelectric fibers arranged on the other axis And the second force-measuring piezoelectric fibers are arranged so as to cross each other.
청구항 19에 있어서, 상기 압전 섬유 복합재료 구조체는 상기 보호기지체가 상기 제1 힘측정 압전 섬유 및 상기 제2 힘측정 압전 섬유가 배열된 2축중 1개의 축에 배열된 상기 제1 힘측정 압전 섬유를 내부로 수용하는 어퍼 기지체와, 다른 1개의 축에 배열된 상기 제2 힘측정 압전 섬유를 내부로 수용하는 로어 기지체로 구성되고, 상기 어퍼 기지체와 상기 로어 기지체는 서로 적층되어 복층 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 다축 힘 측정 장치.21. The piezoelectric fiber composite structure according to claim 19, wherein said protective fiber support comprises said first force measuring piezoelectric fiber arranged in one of two axes on which said first force measuring piezoelectric fiber and said second force measuring piezoelectric fiber are arranged Wherein the upper bearing member and the lower bearing member are stacked on each other to form a multi-layered structure. The upper bearing member and the lower bearing member each include an upper bearing member accommodating therein the second force- Axis direction.
KR20120148082A 2012-12-18 2012-12-18 Piezoelectric Fibre Complex Material Structure and Multi Axis Force Measurement System KR101490886B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20120148082A KR101490886B1 (en) 2012-12-18 2012-12-18 Piezoelectric Fibre Complex Material Structure and Multi Axis Force Measurement System

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20120148082A KR101490886B1 (en) 2012-12-18 2012-12-18 Piezoelectric Fibre Complex Material Structure and Multi Axis Force Measurement System

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140080763A KR20140080763A (en) 2014-07-01
KR101490886B1 true KR101490886B1 (en) 2015-02-09

Family

ID=51732201

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR20120148082A KR101490886B1 (en) 2012-12-18 2012-12-18 Piezoelectric Fibre Complex Material Structure and Multi Axis Force Measurement System

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101490886B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112285162B (en) * 2020-10-18 2022-04-05 西安交通大学 Metal-based composite material self-perception characteristic detection system and method based on continuous carbon core piezoelectric fibers

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090030827A (en) * 2007-09-21 2009-03-25 경희대학교 산학협력단 METHOD FOR PRODUCING POLY(VINYLIDENE FLUORIDE) NANOFIBER WEB WITH HIGH beta- TYPE CRYSTAL STRUCTURE
JP2011526989A (en) 2008-07-02 2011-10-20 レイセオン カンパニー Piezoelectric fiber active damped composite electronic housing
KR20120122402A (en) * 2011-04-29 2012-11-07 경희대학교 산학협력단 Electrostatic capacitance-type nano genetator using piezoelectric nanofiber web

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090030827A (en) * 2007-09-21 2009-03-25 경희대학교 산학협력단 METHOD FOR PRODUCING POLY(VINYLIDENE FLUORIDE) NANOFIBER WEB WITH HIGH beta- TYPE CRYSTAL STRUCTURE
JP2011526989A (en) 2008-07-02 2011-10-20 レイセオン カンパニー Piezoelectric fiber active damped composite electronic housing
KR20120122402A (en) * 2011-04-29 2012-11-07 경희대학교 산학협력단 Electrostatic capacitance-type nano genetator using piezoelectric nanofiber web

Also Published As

Publication number Publication date
KR20140080763A (en) 2014-07-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ling et al. Design, pseudostatic model, and PVDF-based motion sensing of a piezo-actuated XYZ flexure manipulator
KR101673884B1 (en) Pressure detector and touch panel provided with pressure detector
Zhu et al. Influence of ambient humidity on the voltage response of ionic polymer–metal composite sensor
Zhu et al. A flexible three-dimensional force sensor based on PI piezoresistive film
US20110094306A1 (en) Sensor Fabric for Shape Perception
JP2014529070A5 (en)
Arh et al. Design principles for a single-process 3d-printed accelerometer–theory and experiment
Aksoy et al. Shielded soft force sensors
Lee et al. Direct visualization of cross-sectional strain distribution in flexible devices
Balaji et al. Structural health monitoring (SHM) system for polymer composites: A review
Zhang et al. Proposed rail pad sensor for wheel-rail contact force monitoring
Tao et al. Design and performance testing of a dielectric elastomer strain sensor
Anas et al. Structural health monitoring of GFRP laminates using graphene-based smart strain gauges
KR101490886B1 (en) Piezoelectric Fibre Complex Material Structure and Multi Axis Force Measurement System
US8950258B2 (en) Micromechanical angular acceleration sensor and method for measuring an angular acceleration
WO2009007047A2 (en) Piezoelectric device for detecting or generating forces and torques in multiple directions
Kim et al. Cross-shaped piezoelectric beam for torsion sensing
Tang et al. A Non-Array Soft Capacitive Tactile Sensor with Simultaneous Contact Force and Location Measurement for Intelligent Robotic Grippers
Kang et al. A carbon nanotube smart material for structural health monitoring
KR101577801B1 (en) Three-dimensional strain sensor using piezo-fiber, and construction using the same
Kang et al. Structural health monitoring based on electrical impedance of a carbon nanotube neuron
Kordell et al. Fiber Optic Conjugate-Stress Sensor for Local Stiffness Changes under Quasistatic Loads
Su et al. Theoretical model and experimental verification of flexoelectric response of porous plate under impact load and its application as passive and protective impact sensor
Muller et al. Spray-Deposited Anisotropic Assemblies of Plasmonic Nanowires for Direction-Sensitive Strain Measurement
KR20120075087A (en) Apparatus for measuring force

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180105

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190207

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200204

Year of fee payment: 6