KR101574017B1 - 비선형 스트레인 모델에 기반한 로드셀 구조 - Google Patents

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KR101574017B1
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김갑일
김정훈
이범주
오성남
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명지대학교 산학협력단
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Abstract

비선형 스트레인 모델에 기반한 로드셀 구조가 개시된다. 본 발명의 일측면에 따르면, 외력을 감지하기 위한 로드셀 구조로서, 고정부; 일단이 고정부에 고정되어 고정부로부터 외력의 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 연장부; 및 연장부에 결합되며 외력에 의한 연장부의 변형을 감지하고 감지값을 출력하는 복수의 센서를 포함하되, 복수의 센서 중 제1 센서가 제1 감지값을 출력하는 외력의 범위는 복수의 센서 중 제2 센서가 제2 감지값을 출력하는 외력의 범위와 상이한 것을 특징으로 하는 로드셀 구조가 제공된다. 이와 같은 로드셀 구조는 기존에 비해 더 넓은 범위의 외력에 대하여 높은 민감도를 유지할 수 있다.

Description

비선형 스트레인 모델에 기반한 로드셀 구조{LOAD CELL STRUCTURE BASED ON A NONLINEAR STRAIN MODEL}
본 발명은 로드셀에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비선형 스트레인 모델에 기반한 로드셀 구조에 관한 것이다.
로드셀(load cell)은 물체의 하중이나 외부에서 가해지는 힘 등을 측정하기 위한 센서 조립체로서, 센서 구조물의 변형(strain)으로부터 외력을 추정하게 된다. 기존의 센서는 가해지는 최대 외력에 따라 동작 범위가 결정되었고, 이 범위 안에서 외력에 비례하는 변형이 발생하는 구조로 이루어져 있다.
도 2에는 이와 같은 기존 로드셀 구조에서 외력과 변형 사이의 관계를 나타내는 그래프가 도시되어 있다. 도 2의 (a)에는 가해지는 힘에 따른 센서 구조물의 변형 특성이 도시되어 있고, 도 2의 (b)에는 이러한 센서 구조물이 사용되는 경우 스트레인 게이지(strain gauge) 등의 센서가 출력하는 감지값으로부터 추정할 수 있는 외력의 크기를 그래프로 나타낸다.
즉, 도 2의 (a)에서는 힘이 가로축으로 표시되고 변형이 세로축으로 표시되는 반면, 도 2의 (b)에서는 변형이 가로축으로 표시되고 힘이 세로축으로 표시되어 있다.
도 2에서 알 수 있듯이, 일반적인 스트레인 게이지 등의 센서는 측정하는 외력과 변형 사이에 1차 함수와 같은 그래프가 성립된다.
이러한 구조에서는 가해지는 외력이 작을 경우나 큰 경우나 모두 동일한 변형이 발생하기 때문에, 도 2의 (b)에서 (1)로 표시된 영역에서 같이 외력이 작은 경우에는 변형의 변화량으로 추정할 수 있는 힘에 대한 민감도가 높지만, 도 2의 (b)에서 (2)로 표시된 영역에서 같이 외력이 큰 경우에는 변형의 변화량으로 추정할 수 있는 힘에 대한 민감도가 상대적으로 낮아진다.
따라서 기존의 로드셀 구조를 적용하는 경우에는 작은 외력을 감지해야 하는 정교한 작업이 관련되면서도 큰 외력 또한 감지해야 하는 응용분야에서는 적합하지 않을 수 있다.
본 발명의 일측면은 전술한 문제를 해소하기 위한 것으로서, 넓은 범위의 외력에 대하여 균일하게 높은 민감도를 유지할 수 있는 로드셀 구조를 제공하려는 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 외력을 감지하기 위한 로드셀 구조로서, 고정부; 일단이 고정부에 고정되어 고정부로부터 외력의 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 연장부; 및 연장부에 결합되며 외력에 의한 연장부의 변형을 감지하고 감지값을 출력하는 복수의 센서를 포함하되, 복수의 센서 중 제1 센서가 제1 감지값을 출력하는 외력의 범위는 복수의 센서 중 제2 센서가 제2 감지값을 출력하는 외력의 범위와 상이한 것을 특징으로 하는 로드셀 구조가 제공된다.
제1 센서와 제2 센서가 동일한 연장 부재에 결합된 경우, 제1 센서가 결합된 위치에서 연장부에 작용하는 모멘트와 제2 센서가 결합된 위치에서 연장부에 작용하는 모멘트는 서로 다를 수 있다.
한편, 제1 센서와 제2 센서가 상이한 연장 부재에 결합되는 경우, 즉 연장부는 제1 연장 부재 및 제2 연장 부재를 포함하여 제1 센서는 제1 연장 부재에 결합되고 제2 센서는 제2 연장 부재에 결합되는 경우, 동일한 외력에 대하여 제1 연장 부재와 제2 연장 부재가 변형되는 거리가 서로 다를 수 있다.
제1 연장 부재와 제2 연장 부재는 외력이 가해지는 방향에 대하여 서로 다른 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 일실시예는, 제1 연장 부재가 소정의 거리만큼 변형된 후 제2 연장 부재가 변형되기 시작하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일실시예에 따른 로드셀 구조는 제1 연장 부재의 타단에 결합되는 제1 가압부 및 제2 연장 부재의 타단에 결합되는 제2 가압부를 포함할 수 있고, 제1 가압부는 제2 가압부 위에 위치할 수 있으며, 제1 가압부와 제2 가압부 사이에 소정의 간격이 형성될 수 있다.
제1 감지값과 제2 감지값을 포함하는 감지결과와 외력 사이의 관계는 2차 이상의 함수를 둘 이상의 구간으로 나누어 구간 선형화한 그래프에 대응하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는, 구간 선형화한 그래프가 제1 감지값만이 출력되는 외력의 범위, 제1 감지값과 제2 감지값이 모두 출력되는 외력의 범위, 및 제2 감지값만이 출력되는 외력의 범위가 상이한 구간에 있도록 그래프의 구간이 나누어질 수 있다.
본 발명의 다른 일측면에 따르면, 외력을 감지하기 위한 로드셀 구조로서, 고정부; 일단이 고정부에 고정되어 고정부로부터 외력의 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 제1 연장 부재; 제1 연장 부재의 타단에 고정된 제1 가압부; 일단이 제1 가압부에 고정되어 제1 가압부로부터 고정부를 향하는 방향으로 연장되며 타단에 제2 가압부가 형성된 제2 연장 부재; 제1 연장 부재에 결합되며 외력에 의한 제1 연장 부재의 변형을 감지하고 제1 감지값을 출력하는 제1 센서; 제2 연장 부재에 결합되며 외력에 의한 제2 연장 부재의 변형을 감지하고 제2 감지값을 출력하는 제2 센서를 포함하되, 제1 연장 부재가 소정의 거리만큼 변형된 후 제2 연장 부재가 변형되기 시작하는 것을 특징으로 하는 로드셀 구조가 제공된다.
고정부에는 제2 가압부를 수용하는 홈이 형성될 수 있고, 홈의 하면과 제2 가압부는 소정의 간격만큼 이격될 수 있다.
본 발명의 일실시예는 동일한 외력에 대하여 제1 연장 부재와 제2 연장 부재가 변형되는 거리가 상이하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 연장 부재와 제2 연장 부재는 외력이 가해지는 방향에 대하여 상이한 두께를 가질 수 있다.
제1 감지값과 제2 감지값을 포함하는 감지결과와 외력 사이의 관계는 2차 이상의 함수를 둘 이상의 구간으로 나누어 구간 선형화한 그래프에 대응하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 구간 선형화한 그래프가 제1 감지값만이 출력되는 외력의 범위, 제1 감지값과 제2 감지값이 모두 출력되는 외력의 범위, 및 제2 감지값만이 출력되는 외력의 범위가 상이한 구간에 있도록 구간이 나누어질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 로드셀 구조는 일단이 제2 가압부에 고정되어 제2 가압부로부터 제1 가압부를 향하는 방향으로 연장되며 타단에 제3 가압부가 형성된 제3 연장 부재; 및 제3 연장 부재에 결합되며 외력에 의한 제3 연장 부재의 변형을 감지하고 제3 감지값을 출력하는 제3 센서를 더 포함할 수 있는데, 이 경우 제2 연장 부재가 소정의 거리만큼 변형된 후 제3 연장 부재가 변형되기 시작하도록 구성될 수 있다.
제1 가압부에는 제3 가압부를 수용하는 홈이 형성될 수 있고, 홈의 하면과 제3 가압부는 소정의 간격만큼 이격될 수 있다.
이러한 경우, 제1 감지값, 제2 감지값, 및 제3 감지값을 포함하는 감지결과와 외력 사이의 관계는 2차 이상의 함수를 셋 이상의 구간으로 나누어 구간 선형화한 그래프에 대응할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 넓은 범위의 외력에 대하여 높은 민감도를 유지할 수 있는 로드셀 구조가 제공된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 로드셀 구조를 나타내는 사시도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 로드셀 구조에서 외력과 변형의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 로드셀 구조에서 외력과 변형의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 로드셀 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 로드셀 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 로드셀 구조의 일부에 대한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 로드셀 구조에서 외력과 변형의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 자세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 일부 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 로드셀 구조를 나타내는 사시도이다. 본 발명의 일실시예에 따른 로드셀 구조(1000)는 가해지는 외력을 측정하기 위한 것이며, 도 1에 도시된 바와 같이 고정부(100), 가압부(200), 연장부(300) 및 복수의 센서(410, 420)를 포함할 수 있다.
고정부(100)는 로드셀 구조(1000)의 본체를 형성할 수 있으며, 외력이 가해지더라도 현저한 이동 또는 변형 없이 고정된 상태를 유지하여야 한다. 어느 정도의 강성을 가지는 재료가 사용되는 경우, 로드셀 구조(1000)의 고정부(100)는 그 하면이 다른 부재에 의해 지지되어 가해지는 외력에 대한 항력을 제공할 수 있게 구성될 수 있다.
가압부(200)는 연장부(300)에 의해 고정부(100)에 연결될 수 있다. 외력이 가해질 때 고정부(100)는 고정된 상태를 유지하는 반면, 가압부(200)는 고정부(100)에 대하여 상대적으로 이동할 수 있다. 가압부(200)는 로드셀 구조(1000)에 외력을 가하는 물체와 접촉하기 위해 보다 큰 면적을 제공할 수 있다. 경우에 따라 가압부(200)가 생략되거나 후술되는 연장부(300)의 일부로 형성될 수도 있다.
본 명세서에서는 본 발명의 예로서 고정부(100)가 중심에 위치하고 그 주변을 가압부(200)가 둘러싸는 구조가 예시적으로 설명되나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 필요에 따라 중심에 위치한 부분이 가압부(200)로서 외력에 의해 움직여지는 부분이 되고 가압부(200)를 둘러싸는 부분이 고정부(100)로서 외력에 의해 움직여지지 않는 부분이 되도록 구성될 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 일부 실시예에서는 로드셀 구조(1000)가 원형 또는 원통형 이외의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 일측에는 고정부(100)가 형성되고 반대측에는 가압부(200)가 형성되는 캔틸레버형 구조도 가능하다.
연장부(300)는 전술한 바와 같이 고정부(100)와 가압부(200)를 연결할 수 있다. 연장부(300)는 로드셀 구조(1000)에 가해지는 외력의 방향과 교차하는 방향으로 고정부(100)로부터 연장될 수 있다. 연장부(300)의 연장 방향은 가해지는 외력의 방향과 직교하는 것이 외력을 측정하는 데 유리할 수 있으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
연장부(300)는 가해지는 외력에 의해 변형될 수 있는 구조로 형성된다. 금속 또는 플라스틱 등의 재료로도 압력에 의해 미세하게 변형이 발생하므로, 이러한 변형을 감지할 수 있는 센서의 종류 등을 고려하여 연장부(300)의 재료가 선정될 수 있다.
도 1에는 일체형의 가압부(200)에 다수의 연장부(300)가 연결되는 실시예가 예시적으로 도시되어 있으나, 각 연장부(300)에 별도의 가압부(200)가 연결되고 각 가압부(200)가 서로 분리된 형태로 구성되는 실시예도 가능하다.
센서(410, 420)들은 연장부(300)에 결합되어 가해지는 외력에 의한 연장부(300)의 변형을 감지할 수 있다. 센서(410, 420)는 예를 들어 스트레인 게이지로 구현될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 로드셀 구조(1000)에서는 연장부(300)가 네 개의 연장 부재를 포함하고 각 연장 부재에 센서가 결합됨으로써 네 개의 센서가 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge) 회로를 구성할 수 있다.
스트레인 게이지는 전도체에서 전도율과 기하학적 형상 사이의 관계를 이용하여 변형을 감지하는 소자이다. 스트레인 게이지에 포함된 전도체가 신장되어 전류의 이동 경로가 증가하게 되면 해당 전도체의 전기적 저항이 증가하고, 반대로 전도체가 압축되어 전류의 이동 경로가 감소하게 되면 해당 전도체의 전기적 저항이 감소되는데, 이 원리를 이용하면 해당 전도체의 저항으로부터 스트레인 게이지가 장착된 부분의 변형을 측정할 수 있는 것이다.
다만, 스트레인 게이지는 도 2에서와 같이 변형의 변화량에 따라 감지할 수 있는 힘의 관계가 선형 그래프를 이루고, 또한 스트레인 게이지 하나가 감지할 수 있는 힘의 범위가 한정되어 있으므로, 넓은 범위의 외력에 대하여 높은 민감도를 유지할 수 있도록 하는 구성이 요구된다.
이를 위해, 연장부(300)에는 복수의 센서가 결합될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서는 연장부(300)에 포함된 하나의 연장 부재에 두 개의 센서, 즉 제1 센서(410)와 제2 센서(420)가 결합되어 있다.
제1 센서(410)는 대응하는 연장 부재의 변형을 감지하여 제1 감지값을 출력하고, 제2 센서(420)는 동일한 연장 부재의 변형을 감지하여 제2 감지값을 출력할 수 있다. 여기서, 제1 센서(410)가 제1 감지값을 출력하는 외력의 범위는 제2 센서(420)가 제2 감지값을 출력하는 외력의 범위와 상이하도록 구성될 수 있다.
달리 표현하자면, 제1 센서(410)는 비교적 작은 외력이 가해지는 경우 이를 감지하도록 구성될 수 있고, 제2 센서(420)는 제1 센서(410)가 감지하는 것에 비해 더 큰 외력이 가해지는 경우 이를 감지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 센서(410)가 0부터 x까지의 힘을 감지할 수 있다고 하면, 제2 센서(420)는 x부터 z까지의 힘 또는 x보다 작은 y부터 x보다 큰 z까지의 힘을 감지할 수 있다.
제1 센서(410)와 제2 센서(420)가 상이한 범위의 힘을 측정하도록, 본 발명의 일실시예에 따르면, 제1 센서(410)와 제2 센서(420)로 이용되는 스트레인 게이지 등의 센서 자체가 상이한 구조 및 성능을 가진 개별의 센서일 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에서는, 제1 센서(410)와 제2 센서(420)에 유사한 구조의 센서를 사용하되, 제1 센서(410)와 제2 센서(420)가 각각 결합되는 부위에서 연장부(300)의 변형 정도가 다르게 할 수 있다.
일례로, 도 1에 도시된 실시예를 참조하면, 연장부(300)가 고정부(100) 및 가압부(200)에 견고히 고정되어 있는 경우, 연장부(300)에 작용하는 모멘트(bending moment)의 크기가 제2 센서(420)가 결합된(즉, 접합부에 근접한) 위치에 비해 제1 센서(410)가 결합된(즉, 중간에 근접한) 위치에서 더 클 것이며 따라서 제2 센서(420)가 결합된 위치에 비해 제1 센서(410)가 결합된 위치에서 연장부(300)의 변형이 더 클 것임을 유추할 수 있다.
다른 일례로, 도시되지는 않았지만, 제1 센서(410)가 결합된 위치에서 연장부(300)의 두께를 더 작게 하고 제2 센서(420)가 결합된 위치에서 연장부(300)의 두께를 더 크게 함으로써 제1 센서(410)의 위치에서 연장부(300)의 변형이 더 크게 일어나도록 할 수 있다.
이하, 센서(410, 420)들이 상이한 범위의 외력을 감지하게 하는 방법의 효과에 대해 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 종래 기술에 따른 로드셀 구조에서 외력과 변형의 관계를 설명하기 위한 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 로드셀 구조에서 외력과 변형의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 전술한 바와 같이 일반적인 스트레인 게이지 등의 센서는 측정하는 외력과 변형 사이에 1차 함수와 같은 그래프가 성립된다. 이러한 구조에서는 가해지는 외력이 작을 경우나 큰 경우나 모두 변형이 동일한 변화율로 변경되기 때문에, 도 2의 (b)에서 (1)로 표시된 영역에서 같이 외력이 작은 경우에는 변형의 변화량으로 추정할 수 있는 힘에 대한 민감도가 높지만, 도 2의 (b)에서 (2)로 표시된 영역에서 같이 외력이 큰 경우에는 변형의 변화량으로 추정할 수 있는 힘에 대한 민감도가 상대적으로 낮아진다.
이와 대조적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 로드셀 구조는 외력과 변형 사이의 관계가 도 3의 (a) 및 (b)에서와 같이 비선형적 그래프를 지향하도록 한다. 힘에 따른 변형량의 관계가 도 3의 (a)와 같이 성립되면, 감지결과인 변형에 따라 측정되는 외력의 관계는 도 3의 (b)에서와 같이 2차 이상의 함수를 따르도록 할 수 있다. 도 2의 (b)에서는 감지되는 변형이 클수록 측정되는 외력에 대한 민감도가 낮아지지만, 도 3의 (b)에서는 감지되는 변형이 큰 경우에도 측정되는 외력의 구분이 명확해져 민감도가 높아진다.
따라서 가해지는 외력에 대해 변형량이 선형적으로 변경되는 스트레인 게이지 등의 센서를 이용하여 외력에 따른 변형의 관계가 도 3의 (a)의 그래프를 모사하게 하기 위해, 본 발명의 일실시예에서는 감지 범위가 서로 다른 복수의 센서(410, 420)를 이용하여 외력에 따른 변형의 관계가 도 3의 (c)와 같이 구간 선형화된 그래프를 따르게 할 수 있다.
도 3의 (c)를 참조하면, 제1 센서(410)는 감지하는 외력의 범위 내에서 외력에 대한 변형의 관계가 s=af 의 함수로 나타내질 수 있고, 제2 센서(420)는 감지하는 외력의 범위 내에서 외력에 대한 변형의 관계가 s=bf+c 의 함수로 나타내질 수 있다. 제1 센서(410)는 (1)지점부터 (2)지점까지의 범위 내에서 외력을 감지하고, 제2 센서(420)는 (3)지점부터 (4)지점까지의 범위 내에서 외력을 감지할 수 있다.
따라서 본 발명의 일실시예에 따른 로드셀 구조(1000)는 도 3의 (c)의 경우 (1)지점부터 (3)과 (2) 사이의 어느 지점까지의 외력 범위에 해당하는 구간에 대하여는 제1 센서(410)의 제1 감지값에 기초하여 외력을 측정할 수 있고, 상기 (3)과 (2) 사이의 어느 지점부터 (4)지점까지의 외력 범위에 해당하는 구간에 대하여는 제2 센서(420)의 제2 감지값에 기초하여 외력을 측정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 로드셀 구조(1000)는 또한 전술한 구간 선형화 그래프의 구간을 더 세분화할 수 있다. 예를 들어, 제1 감지값만이 출력되는 외력의 범위, 제1 감지값과 제2 감지값이 모두 출력되는 외력의 범위, 및 제2 감지값만이 출력되는 외력의 범위를 각각 서로 다른 구간으로 나눌 수 있다.
예를 들어, (1)지점부터 (3)지점까지의 외력 범위를 하나의 구간으로 하여 이 구간 내에서는 제1 감지값에 기초하여 외력을 측정하고, (3)지점부터 (2)지점까지의 외력 범위를 하나의 구간으로 하여 이 구간 내에서는 제1 감지값 및 제2 감지값 모두에 기초하여(예컨대 가중평균을 구하여) 외력을 측정하고, (2)지점부터 (4)지점까지의 외력 범위를 하나의 구간으로 하여 이 구간 내에서는 제2 감지값에 기초하여 외력을 측정할 수 있다.
전술한 방법으로 인해 본 발명의 일실시예는 높은 외력의 범위에서도 기존의 로드셀 구조에 비해 높은 민감도를 유지할 수 있다.
상기에서는 서로 다른 범위의 외력을 측정하는 센서(410, 420)가 2개 있는 경우를 가정하여 설명하였지만, 3개 이상의 센서를 이용하여 전술한 구간 선형화 그래프의 구간을 더욱 세분화할 수 있음은 물론이다. 이 경우 높은 외력의 범위에서의 외력 측정이 더욱 높은 정밀도로 이루어질 수 있다.
한편, 제1 센서(410)와 제2 센서(420)로 각각 상이한 성능을 가진 센서를 사용하지 않는 한, 도 1에서와 같이 제1 센서(410)와 제2 센서(420)를 하나의 연장 부재에 결합한 상태에서는 제1 센서(410)와 제2 센서(420)의 측정 범위를 현저히 다르게 하기 어려울 수 있다. 이를 보완한 실시예가 도 4 및 도 5에 도시되어 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 로드셀 구조를 나타내는 도면으로서, 내부를 관찰할 수 있도록 일부를 절단한 모습이 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 로드셀 구조(1000)에서 연장부(300)는 제1 연장 부재(310)와 제2 연장 부재(320)를 포함하되, 제1 센서(410)는 제1 연장 부재(310)에 결합되고 제2 센서(420)는 제2 연장 부재(320)에 결합될 수 있다.
동일한 외력이 가해질 때, 제1 연장 부재(310)와 제2 연장 부재(320)는 그 변형되는 거리가 서로 다르도록 구성할 수 있다. 즉, 제1 연장 부재(310)는 작은 외력이 가해져도 민감하게 변형되고, 제2 연장 부재(320)는 비교적 큰 외력이 가해져야 동일한 정도로 변형되게 하면, 제1 센서(410)와 제2 센서(420)가 민감하게 측정하는 외력의 범위를 상이하게 할 수 있는 것이다.
이를 위해, 도 4에서와 같이 제1 연장 부재(310)와 제2 연장 부재(320)의 두께를 서로 다르게 할 수 있다. 즉, 외력이 가해지는 방향에 대하여 제1 연장 부재(310)와 제2 연장 부재(320)가 상이한 두께를 가질 수 있으며, 예를 들어 제1 연장 부재(310)의 두께보다 제2 연장 부재(320)의 두께가 더 크게 할 수 있다. 제1 연장 부재(310)에 비해 제2 연장 부재(320)의 두께가 더 크므로, 동일한 외력이 가해지더라도 제1 연장 부재(310)가 제2 연장 부재(320)에 비해 더 많이 변형될 수 있다. 또한, 제1 연장 부재(310)에 결합된 제1 센서(410)는 가해지는 외력이 작은 범위에 있을 때 높은 민감도로 이를 감지할 수 있으며, 제2 연장 부재(320)에 결합된 제2 센서(420)는 가해지는 외력이 비교적 높은 범위에 있더라도 제2 연장 부재(320) 자체의 변형 거리는 작으므로 이를 높은 민감도로 감지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 제1 연장 부재(310)가 소정의 거리만큼 변형된 후에야 제2 연장 부재(320)가 변형되기 시작되도록 할 수 있다.
이러한 구성의 일례로서 도 4를 참조하면, 도 4에 도시된 로드셀 구조(1000)에서는 제1 연장 부재(310)가 제2 연장 부재(320) 위에 위치하고, 제1 연장 부재(310)의 단부에 제1 가압부(210)가 형성되고 제2 연장 부재(320)의 단부에 제2 가압부(220)가 형성되며, 제1 가압부(210)와 제2 가압부(220) 사이에 소정의 간격이 형성되어 있다.
이 경우, 외력이 제1 가압부(210)에 가해져 제1 연장 부재(310)가 소정의 거리만큼 변형된 후에야 제1 가압부(210)가 제2 가압부(220)에 접촉하여 외력을 전달하고, 이로써 제2 연장 부재(320)가 변형되기 시작하는 것이다.
도 4에는 제1 가압부(210)와 제2 가압부(220) 사이에 고정부(100)로부터 연장되는 돌출부(150)가 형성되어 있다. 돌출부(150)는 제1 연장 부재(310) 또는 제2 연장 부재(320)가 외력에 의해 변형되는 거리를 조절하는 데 사용할 수 있다. 예를 들어, 돌출부(150)가 제1 가압부(210)에 접촉하여 형성되어 있으면, 돌출부(150)가 없고 동일한 두께의 제1 연장 부재(310)가 사용되는 경우에 비하여 제1 연장 부재(310)가 외력에 의해 변형되는 거리가 감소할 것이다.
도 4에서는 돌출부(150)가 제2 가압부(220)에 접촉하여 형성되고 제1 가압부(210)로부터 소정의 간격을 두고 이격되어 있다. 이로써 제1 연장 부재(310)가 소정의 거리 변형된 후 제1 가압부(210)가 돌출부(150) 및 제2 가압부(220)에 외력을 전달하기 시작하면 제2 연장 부재(320)가 변형되기 시작하여 제2 센서(420)가 감지값을 출력할 수 있게 될 것이다.
물론, 본 발명의 일부 실시예에서는 돌출부(150)가 생략될 수 있으며, 제1 연장 부재(310) 및 제2 연장 부재(320)의 두께만으로 제1 연장 부재(310) 및 제2 연장 부재(320)의 변형 거리를 조절할 수도 있다.
도 4를 참조하여 설명한 본 발명의 일실시예에 따르면, 로드셀 구조(1000)에 외력이 가해질 때 제1 센서(410)는 작은 범위의 외력을 감지하게 하고, 제2 센서(420)는 소정의 크기 이상의 외력부터 감지하게 하고 더 큰 외력의 범위에 대해 민감도를 더 높게 할 수 있다. 이로 인해 로드셀 구조(1000)가 감지하는 변형의 양 및 측정하는 외력의 크기의 관계가 비선형적 그래프를 모사하는 구간 선형화 그래프를 따르게 할 수 있고, 작은 범위의 외력뿐만 아니라 큰 범위의 외력도 높은 민감도로 측정할 수 있다. 특히, 도 4에 도시된 실시예에서는 제1 센서(410)와 제2 센서(420)에 상이한 구조 또는 성능의 센서를 사용하지 않고 동일한 종류의 센서를 사용하여 전술한 효과를 달성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 로드셀 구조를 나타내는 도면으로서, 내부를 관찰할 수 있도록 일부를 절단한 모습이 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 로드셀 구조(1000)는 고정부(100), 제1 가압부(210), 제2 가압부(220), 제1 연장 부재(310), 제2 연장 부재(320), 제1 센서(410), 및 제2 센서(420)를 포함할 수 있다. 다만, 제2 연장 부재(320)는 제1 가압부(210)로부터 고정부(100)를 향하는 방향으로 연장될 수 있다.
도 4에 도시된 실시예와 유사하게, 본 실시예에서도 제2 연장 부재(320)는 제1 연장 부재(310)가 소정의 거리 변형된 후에야 변형되기 시작한다. 즉, 제2 연장 부재(320)의 단부에 형성된 제2 가압부(220)는 고정부(100)의 일부 사이가 소정의 간격만큼 이격될 수 있고, 제1 연장 부재(310)가 소정 거리 변형되면 제2 가압부(220)가 고정부(100)의 일부와 접촉하여 로드셀 구조(1000)에 가해지는 외력이 제2 연장 부재(320)에 변형을 발생시킬 수 있다.
이를 위해 고정부(100)에는 홈(105)이 형성될 수 있다. 이 경우, 제2 가압부(220)는 홈(105) 내에 삽입될 수 있으며, 홈(105)의 하면과 제2 가압부(220)가 소정의 간격만큼 이격될 수 있다.
도 5를 참조하면, 외력이 제1 연장 부재(310)를 변형시켜 제1 가압부(210)가 고정부(100)에 대하여 상대적으로 소정의 거리만큼 이동하면, 제2 가압부(220)가 홈(105)의 하면에 접촉하게 될 것이고, 추가의 외력이 가해짐에 따라 제2 가압부(220)는 홈(105)에 의해 고정되므로 제2 연장 부재(320)에 변형이 발생할 것이다. 제1 연장 부재(310)와 제2 연장 부재(320) 각각에 결합된 제1 센서(410)와 제2 센서(420)는 이로써 상이한 범위에서 높은 민감도로 외력을 감지할 수 있다.
도 4에 도시된 실시예의 경우 제2 연장 부재(320)에 변형이 발생하는 시점을 지연시키는 제1 가압부(210)와 제2 가압부(220) 사이의 간격이 로드셀 구조(1000)의 외측을 향하므로, 장기간 이용시 상기 간격에 이물질이 누적되어 로드셀 구조(1000)의 성능이 저하될 수 있지만, 도 5에 도시된 실시예는 제2 연장 부재(320)에 변형이 발생하는 시점을 지연시키는 제2 가압부(220)와 고정부(100)의 홈(105) 사이의 간격이 로드셀 구조(1000)의 내측을 향하므로 상기 간격에 이물질이 들어갈 가능성이 현저히 적어진다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 로드셀 구조를 나타내는 단면도이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 로드셀 구조에서 외력과 변형의 관계를 설명하기 위한 그래프이다. 도 6은 도 5에 도시된 실시예의 변형례로 볼 수 있으며, 다른 범위의 외력을 감지하기 위한 제3의 센서를 추가한 실시예이다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 로드셀 구조(1000)는 측정하는 외력의 범위가 서로 다른 센서가 3개 이상 포함 될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예의 경우, 하나의 연장 부재에 다른 범위의 외력을 측정하도록 상이한 구조 또는 성능을 가진 제3의 센서를 추가로 결합시킬 수 있고, 도 4에 도시된 실시예의 경우, 제2 가압부(220), 제2 연장 부재(320) 및 제2 센서(420)와 동일 또는 유사한 구조를 도시된 로드셀 구조(1000)의 하부에 추가할 수 있다.
도 5에 도시된 실시예에 제3의 센서(430)를 추가한 것이 도 6에 도시된 실시예이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 로드셀 구조(1000)는 고정부(100), 제1 가압부(210), 제2 가압부(220), 제3 가압부(230), 제1 연장 부재(310), 제2 연장 부재(320), 제3 연장 부재(330), 제1 센서(410), 제2 센서(420), 및 제3 센서(430)를 포함할 수 있으며, 고정부(100)에 홈(105)이 형성될 수 있고, 제1 가압부(210)에도 홈(205)이 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 로드셀 구조(1000)에 외력이 제1 가압부(210)에 가해지면, 제1 연장 부재(310)가 변형하게 되고, 제1 연장 부재(310)에 발생한 변형이 소정의 거리에 도달하면 제2 가압부(220)가 홈(105)의 하면에 걸리게 되어 추가의 외력이 제2 연장 부재(320)에서도 변형을 발생시킨다.
여기서, 제2 연장 부재(320)에서 처음 변형이 일어날 때, 제3 연장 부재(330)에서는 변형이 발생하지 않을 것임을 확인할 수 있다. 제1 연장 부재(310)에 소정 거리의 변형이 발생한 후, 제2 연장 부재(320)에도 소정 거리의 변형이 발생하면, 비로소 제3 가압부(230)가 홈(205)에 걸리게 되면서 외력이 제3 연장 부재(330)에도 변형을 발생시킬 수 있다. 제1 연장 부재(310), 제2 연장 부재(320) 및 제3 연장 부재(330)에 각각 결합된 제1 센서(410), 제2 센서(420) 및 제3 센서(430)는 대응하는 각 연장 부재의 변형을 감지하여 각각 제1 감지값, 제2 감지값 및 제3 감지값을 출력할 수 있다.
전술한 바와 같이 3개의 센서가 각기 다른 범위의 외력을 감지하게 하면, 로드셀 구조(1000)에서 구현되는 외력과 변형 사이의 관계가 비선형적 모델에 더욱 가까워지게 할 수 있다. 외력에 따른 변형이 선형적 관계로 구성된 3개의 센서를 이용하여 더욱 세분화한 구간 선형화 그래프가 도 7에 도시되어 있다.
도 3의 (c)의 그래프와 마찬가지로, 본 발명의 일실시예에 따른 로드셀 구조(1000)에서 제1 센서(410)는 감지하는 외력의 범위 내에서 외력에 대한 변형의 관계가 s=af 의 함수로 나타내질 수 있고, 제2 센서(420)는 감지하는 외력의 범위 내에서 외력에 대한 변형의 관계가 s=bf+c 의 함수로 나타내질 수 있고, 제3 센서(430)는 감지하는 외력의 범위 내에서 외력에 대한 변형의 관계가 s=df+e 의 함수로 나타내질 수 있다.
따라서 본 발명의 일실시예에 따른 로드셀 구조(1000)는 도 7의 (i)구간에 대하여는 제1 센서(410)의 제1 감지값에 기초하여 외력을 측정하고, (ii)구간에 대하여는 제1 감지값과 제2 감지값에 기초하여(예컨대 가중평균을 구하여) 외력을 측정하고, (iii)구간에 대하여는 제2 감지값에 기초하여 외력을 측정하고, (iv)구간에 대하여는 제2 감지값과 제3 감지값에 기초하여(예컨대 가중평균을 구하여) 외력을 측정하고, (v)구간에 대하여는 제3 감지값에 기초하여 외력을 측정할 수 있다.
전술한 방법으로 인해 본 발명의 일실시예는 높은 외력의 범위에서도 기존의 로드셀 구조에 비해 높은 민감도를 유지할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 고정부 150: 돌출부
210: 제1 가압부 220: 제2 가압부
310: 제1 연장 부재 320: 제2 연장 부재
410: 제1 센서 420: 제2 센서

Claims (17)

  1. 외력을 감지하기 위한 로드셀 구조로서,
    고정부;
    일단이 상기 고정부에 고정되어 상기 고정부로부터 상기 외력의 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 연장부; 및
    상기 연장부에 결합되며, 상기 외력에 의한 상기 연장부의 변형을 감지하고 감지값을 출력하는 복수의 센서를 포함하되,
    상기 복수의 센서 중 제1 센서가 제1 감지값을 출력하는 외력의 범위는 상기 복수의 센서 중 제2 센서가 제2 감지값을 출력하는 외력의 범위와 상이하고, 상기 연장부는 상기 제1 센서가 결합된 제1 연장 부재 및 상기 제2 센서가 결합된 제2 연장 부재를 포함하며, 상기 제1 연장 부재가 소정의 거리만큼 변형된 후 상기 제2 연장 부재가 변형되기 시작하는 것을 특징으로 하는 로드셀 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 센서가 결합된 위치에서 상기 연장부에 작용하는 모멘트와 상기 제2 센서가 결합된 위치에서 상기 연장부에 작용하는 모멘트는 상이한 것을 특징으로 하는 로드셀 구조.
  3. 제 1 항에 있어서,
    동일한 외력에 대하여 상기 제1 연장 부재와 상기 제2 연장 부재가 변형되는 거리가 상이한 것을 특징으로 하는 로드셀 구조.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 연장 부재와 상기 제2 연장 부재는 상기 외력이 가해지는 방향에 대하여 상이한 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 로드셀 구조.
  5. 삭제
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 연장 부재의 타단에 결합되는 제1 가압부; 및
    상기 제2 연장 부재의 타단에 결합되는 제2 가압부를 포함하되,
    상기 제1 가압부는 상기 제2 가압부 위에 위치하고, 상기 제1 가압부와 상기 제2 가압부는 소정의 간격만큼 이격되는 것을 특징으로 하는 로드셀 구조.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 감지값 및 상기 제2 감지값을 포함하는 감지결과와 상기 외력 사이의 관계는 2차 이상의 함수를 둘 이상의 구간으로 나누어 구간 선형화한 그래프에 대응하는 것을 특징으로 하는 로드셀 구조.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 구간 선형화한 그래프는 상기 제1 감지값만이 출력되는 외력의 범위, 상기 제1 감지값과 상기 제2 감지값이 모두 출력되는 외력의 범위, 및 상기 제2 감지값만이 출력되는 외력의 범위가 상이한 구간에 있도록 구간이 나누어지는 것을 특징으로 하는 로드셀 구조.
  9. 외력을 감지하기 위한 로드셀 구조로서,
    고정부;
    일단이 상기 고정부에 고정되어 상기 고정부로부터 상기 외력의 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 제1 연장 부재;
    상기 제1 연장 부재의 타단에 고정된 제1 가압부;
    일단이 상기 제1 가압부에 고정되어 상기 제1 가압부로부터 상기 고정부를 향하는 방향으로 연장되며 타단에 제2 가압부가 형성된 제2 연장 부재;
    상기 제1 연장 부재에 결합되며 상기 외력에 의한 상기 제1 연장 부재의 변형을 감지하고 제1 감지값을 출력하는 제1 센서;
    상기 제2 연장 부재에 결합되며 상기 외력에 의한 상기 제2 연장 부재의 변형을 감지하고 제2 감지값을 출력하는 제2 센서를 포함하되,
    상기 제1 연장 부재가 소정의 거리만큼 변형된 후 상기 제2 연장 부재가 변형되기 시작하는 것을 특징으로 하는 로드셀 구조.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 고정부에는 상기 제2 가압부를 수용하는 홈이 형성되고,
    상기 홈의 하면과 상기 제2 가압부는 소정의 간격만큼 이격되는 것을 특징으로 하는 로드셀 구조.
  11. 제 9 항에 있어서,
    동일한 외력에 대하여 상기 제1 연장 부재와 상기 제2 연장 부재가 변형되는 거리가 상이한 것을 특징으로 하는 로드셀 구조.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 연장 부재와 상기 제2 연장 부재는 상기 외력이 가해지는 방향에 대하여 상이한 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 로드셀 구조.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 감지값 및 상기 제2 감지값을 포함하는 감지결과와 상기 외력 사이의 관계는 2차 이상의 함수를 둘 이상의 구간으로 나누어 구간 선형화한 그래프에 대응하는 것을 특징으로 하는 로드셀 구조.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 구간 선형화한 그래프는 상기 제1 감지값만이 출력되는 외력의 범위, 상기 제1 감지값과 상기 제2 감지값이 모두 출력되는 외력의 범위, 및 상기 제2 감지값만이 출력되는 외력의 범위가 상이한 구간에 있도록 구간이 나누어지는 것을 특징으로 하는 로드셀 구조.
  15. 제 9 항에 있어서,
    일단이 상기 제2 가압부에 고정되어 상기 제2 가압부로부터 상기 제1 가압부를 향하는 방향으로 연장되며 타단에 제3 가압부가 형성된 제3 연장 부재; 및
    상기 제3 연장 부재에 결합되며 상기 외력에 의한 상기 제3 연장 부재의 변형을 감지하고 제3 감지값을 출력하는 제3 센서를 더 포함하되,
    상기 제2 연장 부재가 소정의 거리만큼 변형된 후 상기 제3 연장 부재가 변형되기 시작하는 것을 특징으로 하는 로드셀 구조.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 가압부에는 상기 제3 가압부를 수용하는 홈이 형성되고,
    상기 홈의 하면과 상기 제3 가압부는 소정의 간격만큼 이격되는 것을 특징으로 하는 로드셀 구조.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 감지값, 상기 제2 감지값, 및 상기 제3 감지값을 포함하는 감지결과와 상기 외력 사이의 관계는 2차 이상의 함수를 셋 이상의 구간으로 나누어 구간 선형화한 그래프에 대응하는 것을 특징으로 하는 로드셀 구조.
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