KR101627356B1

KR101627356B1 - Device for sensing force

Info

Publication number: KR101627356B1
Application number: KR1020110053063A
Authority: KR
Inventors: 이동혁; 조남규
Original assignee: 한양대학교 에리카산학협력단
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2011-06-02
Publication date: 2016-06-08
Also published as: KR20120134270A

Abstract

본 발명에 따른 힘 측정 기구는, 탄소섬유판으로 이루어지고, 외력에 의해 탄성 변형되는 적어도 하나의 탄성변형부를 포함하는 탄성 박판; 및 상기 탄성변형부에 마련되어 외력에 의한 상기 탄성변형부의 물리적 변형량을 측정하는 변형측정모듈을 포함한다. 본 발명에 의하면, 정밀한 측정이 가능하면서도 다양한 분야에 쉽게 적용 가능하고, 측정 범위를 획기적으로 향상시킬 수 있다.The force measuring instrument according to the present invention comprises: an elastic thin plate made of a carbon fiber plate and including at least one elastic deformation portion elastically deformed by an external force; And a deformation measurement module provided in the elastic deformation part and measuring a physical deformation amount of the elastic deformation part by an external force. According to the present invention, it is possible to perform precise measurement while being easily applicable to various fields, and the measurement range can be remarkably improved.

Description

Device for sensing force < RTI ID = 0.0 >

본 발명은, 로드셀 등의 힘 측정 기구에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 힘 측정 기구에서 외력에 의해 탄성 변형되는 탄성변형부에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a force measuring mechanism such as a load cell, and more particularly to an elastic deforming portion that is elastically deformed by an external force in a force measuring mechanism.

전자저울이나 생산 자동화에 흔히 사용하는 힘 측정 기구 혹은 힘 센서로서 로드셀(load cell)이 있다. 로드셀은 그 용도에 따라 다양한 용량과 단축, 다축 측정이 가능한 다양한 제품이 개발 생산되고 있다. 이러한 로드셀은 통상 외력에 의해 탄성 변형이 가능한 탄성변형부를 구비하고 있는데, 통상 탄성변형부의 재료는 탄성비례한도가 높고 높은 응력에 견딜 수 있는 니켈, 크롬, 몰리브덴강을 열처리한 것을 사용하며, 저하중용으로는 알루미늄합금, 베릴늄구리를 사용하는데, 이 중에 측정하려는 힘에 충분한 강도를 가진 재료를 선택하게 된다.There is a load cell as an electronic balance or a force measuring device or force sensor commonly used in production automation. The load cell has been developed and produced in various capacities, shortening and multi-axis measurement depending on the application. Such a load cell usually has an elastic deformation portion that can be elastically deformed by an external force. Normally, the material of the elastic deformation portion is one which is heat-treated with nickel, chromium, and molybdenum which has high elastic proportional limit and can withstand high stress, Aluminum alloy, and beryllium copper are used. Among them, a material having sufficient strength for the force to be measured is selected.

그런데, 금속 재료는 인장 강도에 비해 탄성 영역이 매우 좁기 때문에 정격 용량이 매우 제한적이다. 그래서 측정하려는 힘에 따라 매우 다양한 제품이 개발되고 생산되어야 한다. 또한, 금속 재료에 따라 탄성률이 다르기 때문에 재료에 따라 민감도가 제약을 받을 수밖에 없으며, 넓은 범위의 힘을 정밀하게 측정하기 어렵다. However, since the metal material has a very narrow elastic region as compared with the tensile strength, the rated capacity is very limited. Therefore, a wide variety of products must be developed and produced depending on the force to be measured. Also, since the elastic modulus varies depending on the metal material, the sensitivity is limited depending on the material, and it is difficult to precisely measure a wide range of forces.

이에 따라, 로드셀과 같은 힘 측정 기구는, 스트레인 게이지 등의 변형측정모듈보다 탄성변형부의 재료 선택 및 형상 설계가 중요한 인자가 될 수밖에 없다. 그러나 종래의 금속 재료로 제작된 탄성변형부는 탄성 영역이 매우 좁아서, 측정하려는 힘의 크기에 적합한 변형측정모듈을 사용해야만 하는 단점이 있었다. 즉, 금속 재료로 제작된 탄성변형부를 이용하는 종래의 로드셀 등의 힘 측정 기구는, 측정 가능 범위가 매우 제한적이고, 충격에 취약하다는 단점이 있었다.Therefore, the force measuring mechanism such as the load cell is more important than the strain measuring module such as the strain gauge, and the material selection and shape design of the elastic deformation portion are important factors. However, the elastic deforming portion made of the conventional metal material has a disadvantage in that the elastic region is very narrow, so that a strain measuring module suitable for the magnitude of the force to be measured has to be used. That is, a force measuring mechanism such as a conventional load cell using an elastic deformation portion made of a metal material has a disadvantage in that the measurable range is very limited and is vulnerable to impact.

위와 같은 단점으로 인해, 종래의 로드셀과 같은 힘 측정 기구는, 넓은 측정범위가 요구될 시에는 기존 제품을 직접 이용할 수 없어, 간접적인 방법으로 넓은 범위를 측정해야만 하고, 사용 용도에 따라 정격 용량의 로드셀을 선택하는 것이 설계상 주요한 변수로 작용하고 있으며, 다품종 생산에 따라 생산 단가가 올라갈 수밖에 없었다. Due to the disadvantages mentioned above, the conventional force measuring instrument such as a load cell can not directly use the existing product when a wide measurement range is required, so it is necessary to measure a wide range by an indirect method, The selection of the load cell is a key variable in the design, and the production cost has been forced to increase depending on the production of multiple products.

본 발명의 목적은, 정밀한 측정이 가능하면서도 다양한 분야에 쉽게 적용 가능하고, 측정 범위를 획기적으로 향상시킬 수 있는 힘 측정 기구를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a force measuring instrument capable of precisely measuring but easily applicable to various fields, and capable of drastically improving the measuring range.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 탄소섬유판으로 이루어지고, 외력에 의해 탄성 변형되는 적어도 하나의 탄성변형부를 포함하는 탄성 박판; 및 상기 탄성변형부에 마련되어 외력에 의한 상기 탄성변형부의 물리적 변형량을 측정하는 변형측정모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 힘 측정 기구에 의해 달성된다.The above object is achieved according to the present invention by an elastic thin plate comprising a carbon fiber board and including at least one elastic deformation portion elastically deformed by an external force; And a deformation measuring module provided in the elastic deformation part and measuring a physical deformation amount of the elastic deformation part by an external force.

상기 탄소섬유판은, 탄소섬유직물에 수지를 함침시켜 프리프레그(prepreg) 형태로 제작될 수 있다.The carbon fiber board may be manufactured in the form of a prepreg by impregnating a carbon fiber cloth with a resin.

상기 탄성 박판은, 0.1 ㎜ 내지 1.0 ㎜ 범위의 두께를 가질 수 있다.The elastic thin plate may have a thickness ranging from 0.1 mm to 1.0 mm.

상기 변형측정모듈은, 상기 탄성변형부에 부착되어 상기 탄성변형부의 물리적 변형량을 전기적 신호를 변환하는 적어도 하나의 스트레인 게이지를 포함할 수 있다.The deformation measuring module may include at least one strain gauge attached to the elastic deformation portion to convert an electrical signal into a physical strain amount of the elastic deformation portion.

상기 탄성 박판은, 상기 탄성변형부의 외측에 배치되는 테두리부와, 상기 탄성변형부의 내측에 배치되는 중앙부를 더 포함하고, 상기 탄성변형부는, 상기 테두리부와 상기 중앙부를 연결할 수 있다.The resilient thin plate may further include a rim portion disposed on the outer side of the resiliently deformable portion and a central portion disposed on the inner side of the resiliently deformable portion, and the resiliently deformable portion may connect the rim portion and the central portion.

상기 테두리부는, 상기 탄성변형부를 에워싸는 링 형상으로 마련되고, 상기 중앙부는, 상기 테두리부와 동심인 원 형상으로 마련될 수 있다.The rim portion may be provided in a ring shape surrounding the elastic deforming portion, and the central portion may be provided in a circular shape concentric with the rim portion.

상기 탄성변형부는, 상기 테두리부와 상기 중앙부 사이에서 방사상으로 상호 등간격을 두고 복수 개가 배치될 수 있다.The elastically deformable portion may be disposed radially between the rim portion and the center portion at equal intervals.

상기 힘 측정 기구는, 상기 탄성 박판의 상기 테두리부를 고정 지지하기 위한 제1 홀더; 및 상기 탄성 박판의 상기 중앙부에 마련되어 외력을 입력받는 제2 홀더를 더 포함할 수 있다.Wherein the force measuring mechanism comprises: a first holder for fixing and supporting the rim of the elastic thin plate; And a second holder provided at the central portion of the elastic thin plate to receive an external force.

상기 제2 홀더에는, 외력이 가해지는 팁(tip)이 결합될 수 있다.A tip to which an external force is applied may be coupled to the second holder.

상기 제1 홀더는, 상기 탄성 박판의 상기 테두리부 위에 배치되는 링 형상의 제1 상부홀더와, 상기 탄성 박판의 상기 테두리부 아래에 배치되는 링 형상의 제1 하부홀더를 포함하고, 상기 제1 상부홀더와 상기 제1 하부홀더는, 상기 탄성 박판의 상기 테두리부가 개재된 상태에서 상호 체결될 수 있다.Wherein the first holder includes a ring-shaped first upper holder disposed on the rim of the elastic thin plate, and a ring-shaped first lower holder disposed below the rim of the elastic thin plate, The upper holder and the first lower holder may be fastened to each other with the rim of the elastic thin plate interposed therebetween.

상기 제2 홀더는, 상기 탄성 박판의 상기 중앙부 위에 배치되는 제2 상부홀더와, 상기 탄성 박판의 상기 중앙부 아래에 배치되는 제2 하부홀더를 포함하고, 상기 제2 상부홀더와 상기 제2 하부홀더는, 상기 탄성 박판의 상기 중앙부가 개재된 상태에서 상호 체결될 수 있다.Wherein the second holder includes a second upper holder disposed on the center portion of the elastic thin plate and a second lower holder disposed below the center portion of the elastic thin plate, Can be fastened to each other with the central portion of the elastic thin plate interposed therebetween.

본 발명은, 로드셀과 같은 힘 측정 기구에서 탄소섬유판으로 이루어지고 외력에 의해 탄성 변형되는 적어도 하나의 탄성변형부를 포함하는 탄성 박판을 사용함으로써, 정밀한 측정이 가능하면서도 종래의 금속 재료로 제작된 탄성변형부를 갖는 힘 측정 기구에 비해 다양한 분야에 쉽게 적용 가능하고, 측정 범위를 획기적으로 향상시킬 수 있다.INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention uses an elastic thin plate made of a carbon fiber plate in a force measuring mechanism such as a load cell and including at least one elastic deformation portion elastically deformed by an external force so that accurate measurement can be performed, It can be easily applied to various fields as compared with a force measuring instrument having a part, and the measuring range can be remarkably improved.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 힘 측정 기구의 사시도이다.
도 2는 도 1의 힘 측정 기구의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 탄성 박판의 사시도이다.
도 4는 도 3의 탄성 박판의 평면도이다.1 is a perspective view of a force measuring instrument according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view of the force measuring mechanism of FIG. 1; FIG.
3 is a perspective view of the elastic thin plate shown in Fig.
4 is a plan view of the elastic thin plate of Fig.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.In order to fully understand the present invention, operational advantages of the present invention, and objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings and the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in order to avoid unnecessary obscuration of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 힘 측정 기구의 사시도이고, 도 2는 도 1의 힘 측정 기구의 분해 사시도이다. 도 3은 도 1에 도시된 탄성 박판의 사시도이고, 도 4는 도 3의 탄성 박판의 평면도이다.Fig. 1 is a perspective view of a force measuring instrument according to an embodiment of the present invention, and Fig. 2 is an exploded perspective view of the force measuring instrument of Fig. 1. Fig. Fig. 3 is a perspective view of the elastic thin plate shown in Fig. 1, and Fig. 4 is a plan view of the elastic thin plate of Fig. 3. Fig.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 힘 측정 기구(100)는 탄소섬유판으로 이루어지고 적어도 하나의 탄성변형부(111)를 포함한 탄성 박판(110) 및 탄성변형부(111)의 물리적 변형량을 측정하는 변형측정모듈(120)을 포함할 수 있다. 또한, 힘 측정 기구(100)는 탄성 박판(110)의 테두리부(113)를 고정 지지하기 위한 제1 홀더(130) 및 탄성 박판(110)의 중앙부(115)에 마련되어 외력을 입력받는 제2 홀더(140)를 더 포함할 수 있다.1 to 4, a force measuring instrument 100 according to an embodiment of the present invention includes a resilient thin plate 110 including a carbon fiber plate and including at least one resiliently deformable portion 111, And a deformation measurement module 120 for measuring a physical deformation amount. The force measuring mechanism 100 includes a first holder 130 for fixing and supporting the rim portion 113 of the elastic thin plate 110 and a second holder 130 provided at the center portion 115 of the elastic thin plate 110, And may further include a holder 140.

한편, 본 실시예에서 개시하고 있는 힘 측정 기구(100)는 일반적으로 '3축 로드셀(3-axis load cell)'에 적용되는 것이나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고 단축 로드셀, 3축 이외의 다축 로드셀에도 적용될 수 있음은 물론이다. 더 나아가, 본 발명은 로드셀에 적용되는 것에 한정되지 아니하고, 외부에서 가해지는 힘의 크기 및/또는 방향을 측정하기 위한 다양한 형태의 힘 센서에 적용될 수 있다. 그리고, 본 발명의 힘 측정 기구는 로드셀을 이용하는 전자저울, 의료용 로봇, 산업용 로봇, 토목용 로드셀 등의 다양한 분야에 사용될 수 있다.Meanwhile, the force measuring instrument 100 disclosed in this embodiment is generally applied to a '3-axis load cell', but the present invention is not limited to this, but a single axis load cell, It goes without saying that the present invention is also applicable to a load cell. Furthermore, the present invention is not limited to the application to a load cell, but can be applied to various types of force sensors for measuring the magnitude and / or direction of an externally applied force. The force measuring instrument of the present invention can be used in various fields such as an electronic balance using a load cell, a medical robot, an industrial robot, and a load cell for civil engineering.

도 3 및 도 4를 참조하면, 탄성 박판(110)은 탄소섬유판(Carbon fiber plate; Carbon fiber reinforced prepreg; CFRP)으로 이루어지고, 외력에 의해 탄성 변형되는 3개의 탄성변형부(111)를 포함할 수 있다.3 and 4, the elastic thin plate 110 includes three elastically deformable portions 111 made of a carbon fiber plate (carbon fiber reinforced prepreg; CFRP) and elastically deformed by an external force .

여기서, 탄소섬유판은 탄소섬유직물(Carbon fabric)에 에폭시 수지를 함침시켜 프리프레그(prepreg; 수지 침투 가공재) 형태로 제작되는 것이 바람직하다. 이러한 탄소섬유판은 고분자 복합재료로 플라스틱보다 월등히 가벼우면서 강철보다 현저히 강한 물성을 갖는다. 구체적으로, 위와 같은 프리프레그 형태의 탄소섬유판은 금속 재료와 같은 항복강도가 실질적으로 없으며, 스테인리스 스틸(stainless steel)과 비교를 하여도 인장 강도는 약 6배 정도 높으며, 탄성률은 비슷하여 스테인리스 스틸을 이용한 로드셀의 민감도와 유사한 성능을 나타낼 수 있다. 예컨대, 두께가 0.3 ㎜의 두께를 갖는 스테인리스 스틸과 탄소섬유판에 대해 최대허용힘(N)을 시험해본 결과, 스테인리스 스틸의 최대허용힘은 19.71 N이고, 탄소섬유판의 최대허용힘은 360 N이었다. 이러한 시험 결과에 따르면, 탄소섬유판을 이용한 로드셀은 기존의 스테인리스 스틸을 이용한 로드셀과 비교하여 유사한 분해능으로 고정밀 측정이 가능하면서도 그 측정 범위는 약 18배 정도 넓어지는 이점을 가질 수 있다.Here, the carbon fiber board is preferably formed in the form of a prepreg by impregnating a carbon fiber fabric with an epoxy resin. Such a carbon fiber board is a polymer composite material, which is much lighter than plastics and has remarkably stronger physical properties than steel. Specifically, the prepreg-type carbon fiber board has substantially the same yield strength as a metal material. Even when compared with stainless steel, the tensile strength is about 6 times higher than that of a metal material, and the elastic modulus is similar to that of stainless steel. And can exhibit similar performance to the sensitivity of the load cell used. For example, the maximum allowable force (N) of stainless steel and carbon fiber board having a thickness of 0.3 mm was tested. The maximum allowable force of stainless steel was 19.71 N and the maximum allowable force of the carbon fiber board was 360 N. According to these test results, the load cell using the carbon fiber board can have high accuracy measurement with similar resolution compared with the conventional stainless steel load cell, but its measurement range can be broadened by about 18 times.

한편, 탄소섬유판은 위와 같이 금속 재료에 비해 우수한 물성을 갖지만, 탄소섬유 필라멘트를 직조한 것, 즉 탄소섬유직물을 두께 방향으로 쌓아서 경화시킨 구조로, 금속 재료와 다르게 직조 방향으로만 좋은 물성을 활용할 수 있다는 한계가 있다. 이러한 탄소섬유판의 한계를 고려하면, 탄성 박판(110)은 탄소섬유판이 갖는 우수한 물성을 최대한 활용할 수 있도록, 그 명칭 그대로 '판' 혹은 '박판' 형상을 갖는 것이 바람직하다. 구체적으로, 실험에 따르면 탄성 박판(110)은 0.1 ㎜ 내지 1.0 ㎜ 범위의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 다만, 본 발명에서 탄성 박판(110)의 두께는 전술한 구체적인 수치 범위에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 고하중용 로드셀에 적용하고자 하는 경우, 탄성 박판(110)의 두께는 전술한 수치 범위를 넘어 더욱 두껍게 설계될 수 있다.On the other hand, the carbon fiber board has excellent physical properties as compared with the metal material as described above. However, the carbon fiber filament is woven, that is, the carbon fiber fabric is cured by stacking in the thickness direction. There is a limit. Considering the limitations of such a carbon fiber board, it is preferable that the elastic thin plate 110 has a shape of 'plate' or 'thin plate' as it is, in order to utilize the excellent physical properties of the carbon fiber board as much as possible. Specifically, according to the experiment, it is preferable that the elastic thin plate 110 has a thickness in the range of 0.1 mm to 1.0 mm. However, the thickness of the elastic thin plate 110 in the present invention is not limited to the above-described specific numerical range. For example, when the present invention is applied to a load cell for high load, the thickness of the elastic thin plate 110 may be designed to be thicker than the above-described numerical range.

탄성 박판(110)은 탄성변형부(111) 뿐만 아니라 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 탄성변형부(111)의 외측에 배치되는 테두리부(113) 및 탄성변형부(111)의 내측에 배치되는 중앙부(115)를 더 포함할 수 있다. 탄성변형부(111)는 힘 측정 기구(100)의 외부에서 가해지는 힘에 의해 탄성 변형이 발생하는 부분으로, 후술할 스트레인 게이지(strain gage)를 포함한 변형측정모듈(120)이 설치될 수 있다.3 and 4, the resilient thin plate 110 is provided on the inner side of the rim portion 113 and the resiliently deformable portion 111 disposed on the outer side of the resiliently deformable portion 111, And may further include a central portion 115 disposed therein. The elastic deformation portion 111 is a portion where elastic deformation occurs due to a force applied from the outside of the force measuring instrument 100 and may be provided with a deformation measuring module 120 including a strain gage to be described later .

테두리부(113)는 외력에 의해 탄성변형부(111)가 탄성 변형될 수 있도록 제1 홀더(130)에 의해 고정 지지되는 부분이다. 이때, 제1 홀더(130)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 탄성 박판(110)의 테두리부(113) 위에 배치되는 링 형상의 제1 상부홀더(131) 및 탄성 박판(110)의 테두리부(113) 아래에 배치되는 링 형상의 제1 하부홀더(132)를 포함할 수 있다. 제1 상부홀더(131)와 제1 하부홀더(132)는 탄성 박판(110)의 테두리부(113)가 개재된 상태에서 다수의 볼트(130B)를 사용하여 상호 체결될 수 있다. 이를 위해 제1 상부홀더(131), 탄성 박판(110)의 테두리부(113) 및 제1 하부홀더(132) 각각에는 도 2에 도시된 바와 같이 서로 대응하는 위치에 다수의 체결공(131a,113a,132a)이 형성될 수 있다.The rim portion 113 is a portion fixedly supported by the first holder 130 so that the elastic deformation portion 111 can be elastically deformed by an external force. 1 and 2, the first holder 130 includes a ring-shaped first upper holder 131 disposed on a rim portion 113 of the elastic thin plate 110, And a ring-shaped first lower holder 132 disposed under the rim portion 113. The ring- The first upper holder 131 and the first lower holder 132 may be fastened to each other using the plurality of bolts 130B with the rim portion 113 of the elastic thin plate 110 interposed therebetween. To this end, the first upper holder 131, the rim 113 of the elastic thin plate 110, and the first lower holder 132 are provided with a plurality of fastening holes 131a, 113a, and 132a may be formed.

중앙부(115)는 탄성변형부(111)의 탄성 변형을 야기하는 외력이 입력되는 부분으로 제2 홀더(140)가 설치될 수 있으며, 이때 제2 홀더(140)의 중앙에는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 다양한 방향으로 외력을 입력받을 수 있도록 팁(145, tip)이 결합될 수 있다. 이때, 제2 홀더(140)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 탄성 박판(110)의 중앙부(115) 위에 배치되는 제2 상부홀더(141) 및 탄성 박판(110)의 중앙부 아래에 배치되는 제2 하부홀더(142)를 포함할 수 있다. 제2 상부홀더(141)는 원반 형상으로 그 중심에는 외력을 입력받기 위한 팁(145)이 결합될 수 있도록 체결홈(141b)이 형성될 수 있다. 제2 하부홀더(142)는 스트레인 게이지(121)에 연결된 전선이 통과할 수 있도록 중앙 관통된 원반 형상으로 마련될 수 있다. 제2 상부홀더(141)와 제2 하부홀더(142)는 탄성 박판(110)의 중앙부(115)가 개재된 상태에서 다수의 볼트(140B)를 사용하여 상호 체결될 수 있다. 이를 위해 제2 상부홀더(141), 탄성 박판(110)의 중앙부(115) 및 제2 하부홀더(142) 각각에는 도 2에 도시된 바와 같이 서로 대응하는 위치에 다수의 체결공(141a,115a,142a)이 형성될 수 있다.The center portion 115 may be provided with a second holder 140 as a portion to which an external force causing elastic deformation of the elastic deformation portion 111 is input. A tip 145 may be coupled to receive an external force in various directions as shown in FIG. 1 and 2, the second holder 140 is disposed below the central portion of the resilient thin plate 110 and the second upper holder 141 disposed on the central portion 115 of the resilient thin plate 110 The second lower holder 142 may be formed of a metal. The second upper holder 141 may have a disk shape and a coupling groove 141b may be formed at the center thereof so that a tip 145 for receiving an external force can be coupled. The second lower holder 142 may be provided in a disc shape that is centrally penetrated so that a wire connected to the strain gage 121 can pass therethrough. The second upper holder 141 and the second lower holder 142 may be fastened to each other by using a plurality of bolts 140B with the central portion 115 of the elastic thin plate 110 interposed therebetween. To this end, a plurality of fastening holes 141a and 115a (see FIG. 2) are formed in the second upper holder 141, the central portion 115 of the elastic thin plate 110, and the second lower holder 142, , 142a may be formed.

탄성변형부(111)는 테두리부(113)와 중앙부(115) 사이에 배치되어 테두리부(113)와 중앙부(115)를 상호 연결한다. 구체적으로, 탄성변형부(111)는 테두리부(113)에서 중앙부(115)까지 연장되도록 형성될 수 있다. 예컨대, 탄성 박판(110)은 원판 형상의 탄소섬유판 모재에서 도 4에 도시된 바와 같은 소정의 영역들(117a,117b,117c)을 절취 가공하여 마련될 수 있다.The elastic deforming portion 111 is disposed between the rim portion 113 and the central portion 115 to connect the rim portion 113 and the central portion 115 with each other. Specifically, the elastic deforming portion 111 may be formed to extend from the rim portion 113 to the central portion 115. For example, the elastic thin plate 110 may be prepared by cutting predetermined areas 117a, 117b, and 117c as shown in FIG. 4 in a disc-shaped carbon fiberboard base material.

한편, 본 실시예에서 힘 측정 기구(100)는 앞서 언급한 바와 같이 3축(X축, Y축 및 Z축) 방향의 힘을 측정하기 위한 것인데, 다양한 각도에서 신뢰성 있는 측정이 가능하도록 탄성 박판(110)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 전체적으로 원판 형상을 가지되, 테두리부(113)는 탄성변형부(111)를 에워싸는 링 형상으로 마련되고, 중앙부(115)는 테두리부(113)와 동심인 원 형상으로 마련되는 것이 바람직하다. 또한, 탄성변형부(111)는 테두리부(113)와 중앙부(115) 사이에서 방사상으로 상호 등간격을 두고 3개가 배치됨이 바람직하다. 다만, 본 발명에서 탄성 박판(110)의 형상 및 탄성 박판(110)을 구성하는 탄성변형부(111)의 개수 및 배치 형태 등은, 적용하고자 하는 힘 측정 기구의 종류 및 특성 등에 따라 적절히 변경될 수 있음은 물론이다.In the present embodiment, the force measuring instrument 100 is for measuring the force in three axial directions (X-axis, Y-axis, and Z-axis) as described above. In order to enable reliable measurement at various angles, 3 and 4, the rim portion 113 is formed in a ring shape surrounding the elastic deforming portion 111, and the central portion 115 is formed in a shape of a rim 113 It is preferable to provide a circular shape which is concentric with the center line. In addition, it is preferable that three elastically deformed portions 111 are radially disposed between the rim portion 113 and the central portion 115 at equal intervals. However, in the present invention, the shape of the elastic thin plate 110, and the number and arrangement of the elastic deformation parts 111 constituting the elastic thin plate 110 are appropriately changed depending on the type and characteristics of the force measuring instrument to be applied Of course.

도 3 및 도 4를 참조하면, 변형측정모듈(120)은 탄성 박판(110)의 탄성변형부(111)에 마련되는 것으로, 외력에 의한 탄성변형부(111)의 물리적 변형량을 측정할 수 있다. 구체적으로, 변형측정모듈(120)은 탄성 박판(110)의 탄성변형부(111)에 부착되어 탄성변형부(111)의 물리적 변형량을 전기적 신호로 변환하는 적어도 하나의 스트레인 게이지(121, strain gage)를 포함할 수 있다. 일반적으로 '스트레인 게이지'는 구조체의 변형되는 상태와 그 양(量)을 측정하기 위하여 구조체 표면에 부착하는 것으로, 통상 전기식 스트레인 게이지는 구조체가 변형을 일으킬 때에 부착된 스트레인 게이지의 전기적 저항이 변하여 이로부터 변형률을 측정할 수 있다. 한편, 통상의 스트레인 게이지(121)를 이용하는 변형측정모듈(120)의 원리 및 그 구성에 대해서는 잘 알려져 있는바, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.3 and 4, the deformation measurement module 120 is provided in the elastic deformation portion 111 of the elastic thin plate 110 and can measure the physical deformation amount of the elastic deformation portion 111 due to external force . Specifically, the deformation measurement module 120 may include at least one strain gage 121, which is attached to the elastic deformation portion 111 of the elastic thin plate 110 to convert the physical deformation amount of the elastic deformation portion 111 into an electrical signal, ). In general, a 'strain gage' is attached to the surface of a structure in order to measure the deformed state of the structure and the amount thereof. Usually, an electric strain gage changes the electrical resistance of a strain gauge attached when the structure is deformed, The strain can be measured. On the other hand, the principle and structure of the strain measurement module 120 using the conventional strain gage 121 are well known, and a detailed description thereof will be omitted.

본 실시예에서는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 하나의 탄성변형부(111)에 대해 그 상면에 2개의 스트레인 게이지(121)가 설치될 수 있다. 도면에 도시되지 않았지만 탄성변형부(111)의 하면에도 상면에 설치된 2개의 스트레인 게이지(121)와 대응하는 위치에 2개의 스트레인 게이지가 설치될 수 있다. 즉, 3개의 탄성변형부(111)를 포함한 탄성 박판(110)에 대해서는 총 12개(상면 6개, 하면 6개)의 스트레인 게이지(121)가 설치될 수 있다. 다만, 스트레인 게이지(121)의 개수 및 배치 형태 등은 본 실시예에서 개시된 것에 한정되지 아니하고 적절히 변경될 수 있다. 더 나아가, 본 발명에서 변형측정모듈(120)은 전술한 스트레인 게이지 방식에 한정되지 아니하고, 외력에 의한 탄성변형부(111)의 물리적 변형량을 소정의 신호로 변환하여 탄성변형부(111)의 물리적 변형량을 측정할 수 있는 다양한 방식의 모듈로 적용될 수 있음은 물론이다.In the present embodiment, as shown in FIGS. 3 and 4, two strain gauges 121 may be provided on the upper surface of one elastic deformation portion 111. Although not shown in the drawing, two strain gauges may be provided at positions corresponding to the two strain gauges 121 provided on the upper surface of the lower surface of the elastic deformation portion 111. [ That is, a total of twelve strain gauges 121 (6 upper and 6 lower surfaces) may be provided for the elastic thin plate 110 including three elastic deformation portions 111. However, the number and arrangement of the strain gauges 121 and the like are not limited to those disclosed in the present embodiment, but may be appropriately changed. In the present invention, the strain measurement module 120 is not limited to the strain gauge method described above. The strain measuring module 120 converts the physical strain amount of the elastic strain portion 111 by an external force into a predetermined signal, It is needless to say that the present invention can be applied to various types of modules capable of measuring strain.

한편, 탄성변형부(111)에 부착된 스트레인 게이지(121)들 각각에는 생성된 전기적 신호를 신호처리 프로세서(미도시) 등에 전송하기 위해 전선(미도시) 등이 연결될 수 있는데, 이때 탄성 박판(110)의 중앙부(115)에 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 전선을 인출하기 위한 개구(115b)를 형성함으로써 전체적인 배선을 깔끔하게 처리할 수 있다.On the other hand, electric wires (not shown) and the like may be connected to each of the strain gages 121 attached to the elastic deformation part 111 to transmit the generated electric signals to a signal processing processor (not shown) The entire wiring can be neatly processed by forming the opening 115b for drawing out the electric wire as shown in Figs.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 힘 측정 기구(100)는, 종래의 금속 재료로 제작된 탄성변형부를 인장 강도와 탄성이 우수한 탄소섬유판으로 대체하여 최적 적용함으로써, 정밀한 측정이 가능하면서도 넓은 범위의 힘을 측정할 수 있음은 물론, 다자유도 힘의 측정이 필요한 다양한 분야에 쉽게 적용할 수 있다.As described above, the force measuring instrument 100 according to the present embodiment replaces the elastically deformed portion made of the conventional metal material with a carbon fiber plate excellent in tensile strength and elasticity, and is applied optimally, And it can be easily applied to various fields requiring measurement of multi-degrees of freedom force.

본 발명은 전술한 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, such modifications or variations are intended to fall within the scope of the appended claims.

100 : 힘 측정 기구
110 : 탄성 박판
111 : 탄성변형부
113 : 테두리부
115 : 중앙부
120 : 변형측정모듈
121 : 스트레인 게이지
130 : 제1 홀더
140 : 제2 홀더
145 : 팁100: Force measuring instrument
110: elastic thin plate
111: elastic deformation portion
113:
115:
120: strain measurement module
121: Strain gauge
130: first holder
140: second holder
145: Tips

Claims

An elastic thin plate made of a carbon fiber plate and including at least one elastic deformation portion elastically deformed by an external force, a rim portion disposed outside the elastic deformation portion, and a central portion disposed inside the elastic deformation portion;
A deformation measurement module provided in the elastic deformation part and measuring a physical deformation amount of the elastic deformation part by an external force;
A ring-shaped first upper holder fixedly supporting the rim of the elastic thin plate and disposed on the rim of the elastic thin plate, and a ring-shaped first lower holder disposed below the rim of the elastic thin plate A first holder for holding the first holder; And
A second holder provided at the central portion of the elastic thin plate and receiving an external force and disposed on the central portion of the elastic thin plate and a second lower holder disposed below the central portion of the elastic thin plate;
Lt; / RTI >
Wherein the elastic deformation portion connects the rim portion and the center portion,
Wherein the first upper holder and the first lower holder are fastened to each other with the rim of the resilient thin plate interposed therebetween and the second upper holder and the second lower holder are fixed to each other by the central portion of the elastic thin plate, And are mutually fastened in a state of not covering the deformed portion.

The method according to claim 1,
Wherein the carbon fiber plate comprises:
Wherein the carbon fiber fabric is impregnated with a resin so as to be made in the form of a prepreg.

The method according to claim 1,
The resilient thin plate may include:
And has a thickness ranging from 0.1 mm to 1.0 mm.

The method according to claim 1,
Wherein the deformation measurement module comprises:
And at least one strain gauge attached to said resiliently deformable portion for converting an electrical signal into a physical strain amount of said resiliently deformable portion.

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The method according to claim 1,
The rim portion is provided in a ring shape surrounding the elastic deformation portion,
Wherein the center portion is provided in a circular shape concentric with the rim portion.

The method according to claim 6,
The elastic deformation portion
Wherein a plurality of radially spaced radially spaced radially spaced apart portions are disposed between the rim and the central portion.

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The method according to claim 1,
In the second holder,
And a tip to which an external force is applied is coupled.

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