KR101793593B1 - 저하중 정밀 마찰시험기 - Google Patents

저하중 정밀 마찰시험기 Download PDF

Info

Publication number
KR101793593B1
KR101793593B1 KR1020160063211A KR20160063211A KR101793593B1 KR 101793593 B1 KR101793593 B1 KR 101793593B1 KR 1020160063211 A KR1020160063211 A KR 1020160063211A KR 20160063211 A KR20160063211 A KR 20160063211A KR 101793593 B1 KR101793593 B1 KR 101793593B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cantilevers
specimen
plate
microspheres
cantilever
Prior art date
Application number
KR1020160063211A
Other languages
English (en)
Inventor
김현준
김현우
Original Assignee
경북대학교 산학협력단
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 경북대학교 산학협력단 filed Critical 경북대학교 산학협력단
Priority to KR1020160063211A priority Critical patent/KR101793593B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101793593B1 publication Critical patent/KR101793593B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N19/00—Investigating materials by mechanical methods
    • G01N19/02—Measuring coefficient of friction between materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/02—Details
    • G01N3/04—Chucks

Landscapes

  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

저하중 정밀 마찰시험기가 개시된다. 개시된 마찰시험기는 스테이지; 일단이 상기 스테이지에 각각 고정되는 제1 및 제2 지지대; 상기 제1 및 제2 지지대의 타단에 각각 고정되는 제1 및 제2 캔틸레버; 상기 제1 및 제2 캔틸레버의 일단을 연결하고, 제1 시편을 지지하는 연결부재; 및 상기 제1 시편이 마찰되도록 제2 시편을 이동하는 작업대;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

저하중 정밀 마찰시험기{Precise tribometer operated with low load}
본 발명은 마찰시험기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미세세계의 μN단위의 정밀한 마찰력을 측정할 수 있는 저하중 정밀 마찰시험기에 관한 것이다.
일반적으로 마찰시험기는 회전구동요소의 마찰특성을 측정하기 위한 장치를 일컫는다. 한편, MEMS(MICRO ELECTRO MECHANIC SYSTEMS) 기술이 진보함에 따라, 미세세계의 마찰력을 측정할 수 있는 마찰시험기가 필요하게 되었다.
이러한 요구에 따라, 한국등록특허 제10-0515395호에 개시된 바와 같이 정밀 마찰시험기가 제시되었다.
이러한 종래의 정밀 마찰시험기는 수직하중을 부여하는 하중부여추와, 시편홀더가 장착되어 있는 시편암과, 상기 시편암과 연결되어 시편암에 걸리는 토크를 측정하기 위한 토크센서가 장착되어 있는 토크축과, 지지대 상에 있는 상대재 홀더와 상부 구동축과, 상기 상부 구동축과 지지커플링에 의해 연결되며 구동서보모터에 의해 구동되는 하부 구동축을 포함하고 있다.
그런데, 종래의 정밀 마찰시험기는 저하중 시편을 이용한 시험이 어려웠고, 구동 중에 발생하는 동적 거동에 의해 진동이 발생하게 된다. 이 경우 마이크로/나노의 미세세계에서의 마찰력은 수직항력에 비해 훨씬 작기 때문에, 상기 진동에 의해 신호간 혼선(cross talk)이 발생하였다.
따라서 종래의 정밀 마찰시험기를 통해서 미세세계의 μN단위의 정밀한 마찰력과, 정확한 마찰계수의 측정에 어려움이 있었다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 미세세계의 μN단위의 마찰력을 정확하게 측정할 수 있는 정밀 마찰시험기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 시편의 표면에서 발생하는 동적 거동에 의한 진동 특성을 최소화하여 획득데이터의 신뢰성을 향상시키는 정밀 마찰시험기를 제공하는 데 있다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 스테이지; 일단이 상기 스테이지에 각각 고정되는 제1 및 제2 지지대; 상기 제1 및 제2 지지대의 타단에 각각 고정되는 제1 및 제2 캔틸레버; 상기 제1 및 제2 캔틸레버의 일단을 연결하고, 제1 시편을 지지하는 연결부재; 및 상기 제1 시편이 마찰되도록 제2 시편을 이동하는 작업대;를 포함하는 것을 특징으로 하는 저하중 정밀 마찰시험기를 제공한다.
상기 연결부재는 상기 제1 캔틸레버와 상기 제2 캔틸레버에 끼움 결합될 수 있다.
상기 연결부재는, 양측에 상기 제1 및 제2 캔틸레버가 삽입되는 제1 및 제2 결합홈을 구비한 연결판; 및 상기 연결판의 일면에 상기 제1 시편이 삽입되는 시편지지홀더;를 포함할 수 있다.
상기 스테이지는 상기 제1 및 제2 캔틸레버를 X축, Y축 및 Z축 중 적어도 어느 한 축 방향으로 이동시킬 수 있다.
본 발명은 상기 제1 및 제2 캔틸레버에 부착되는 제1 및 제2 측정장치를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 측정장치는 캔틸레버의 변형률을 측정하는 스트레인 게이지일 수 있다.
상기 제1 시편은, 플레이트; 및 상기 플레이트의 일면에 간격을 두고 부착되는 복수의 마이크로 스피어;를 포함할 수 있다.
상기 복수의 마이크로 스피어들이 이루는 무게중심은 상기 플레이트의 무게중심과 일치하는 것이 바람직하다.
상기 복수의 마이크로 스피어는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)공정을 통해 형성된 상기 플레이트의 부착홈에 부착될 수 있다.
상기 복수의 마이크로 스피어들은 각각 상기 플레이트로부터 동일한 돌출 높이를 가질 수 있다.
상기 제1 시편은, 상기 플레이트 상단에 추가 웨이트(weight)를 더 가질 수 있다.
상기 제1 및 제2 캔틸레버는 각각 폴리머 필름(Polymer film) 코팅층을 형성할 수 있다.
상기 시편지지홀더는 내부 벽면에 나노 윤활제가 도포될 수 있다.
상기 작업대는 구동수단에 의해 가동될 수 있다. 이 경우 상기 구동수단은 회전형 모터 또는 리니어 모터일 수 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 제1 및 제2 캔틸레버를 가지는 이중 캔틸레버 구조를 가지고, 이중 캔틸레버가 연결판과 연결되고 서로간의 상호작용으로 진동을 감쇠시켜 측정신호의 신뢰성을 높이게 되고, 보통의 마찰시험기가 측정할 수 없는 범위인 수 μN 단위의 정밀한 마찰력을 측정할 수 있다.
또한, 본 발명은 재료시험분야에서 활용가능하고, 저하중 및 낮은 접촉압력조건에서 작동하는 정밀구동 기기의 마찰특성 규명을 위한 시험 등에 폭넓게 활용을 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저하중 정밀 마찰시험기를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저하중 정밀 마찰시험기를 나타내는 평면도이다.
도 3은 도 2에서 Ⅲ부분을 확대한 도면으로, 연결부재와 제1 및 제2 캔틸레버 연결부분을 확대하여 나타내는 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 연결부재, 제1 및 제2 캔틸레버, 제1 시편의 결합관계를 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 제1 시편의 제조과정을 나타낸 것으로 마이크로 스피어가 플레이트에 부착되는 것을 나타낸 개략도이다.
도 6은 마이크로 스피어 플레이트를 나타내는 측면도이다.
도 7은 마이크로 스피어 플레이트를 나타내는 저면도이다.
도 8은 단일 캔틸레버구조와 본 발명의 이중 캔틸레버구조의 진동 감쇠 특성을 비교하는 그래프이다.
도 9는 단일 캔틸레버에 얇은 고무판을 코팅한 예와 코팅하지 않은 예의 각 진동 감쇠 특성을 비교하는 그래프이다.
도 10은 이중 캔틸레버에서 연결판이 이중 캔틸레버에 본딩된 예와, 연결판이 이중 캔틸레버에 끼움식으로 연결된 예의 각 진동 감쇠 특성을 비교하는 그래프이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나 이는 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 문서의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물(equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
또한, 본 문서에서 사용된 "제 1," "제 2," 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 제 1 사용자 기기와 제 2 사용자 기기는, 순서 또는 중요도와 무관하게, 서로 다른 사용자 기기를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 문서에 기재된 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 문서에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 문서에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 문서의 실시예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 저하중 정밀 마찰시험기의 구조를 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저하중 정밀 마찰시험기를 나타내는 사시도 및 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 저하중 정밀 마찰시험기(10)는 스테이지(11)와, 스테이지(11)에 각각 고정된 제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b)와, 제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b)를 상호 연결하는 연결부재(21)와, 시편이 안착되는 작업대(15)를 구동하기 위한 구동수단(16)을 포함할 수 있다.
스테이지(11)는 시편지지홀더(23)에 부착된 제1 시편(31)의 위치를 결정할 수 있도록 제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b)를 이동시킬 수 있다.
여기서, 스테이지(11)는 제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b)를 X축, Y축 및 Z축 중 적어도 어느 한 축 방향으로 이동시킬 수 있다. 이를 통하여 후술하는 시편지지홀더(23)에 삽입된 제1 시편(31)은 위치가 정밀하게 제어되므로 작업대(15) 상에 부착된 제2 시편(미도시)의 상부에 정확하게 위치될 수 있다.
제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b)는 제1 및 제2 지지대(12a, 12b)를 통해 스테이지(11)에 간접적으로 지지 될 수 있다. 여기서 제1 및 제2 지지대(12a, 12b)의 일단은 스테이지(11)에 부착되고, 타단은 제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b)에 연결된다. 이 경우, 제1 및 제2 지지대(12a, 12b)는 서로 동일한 길이로 이루어지며, 제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b) 역시 서로 동일한 길이로 이루어지는 것이 바람직하다.
제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b)는 두께가 얇고 긴 판형으로 형성될 수 있으며, 각각의 표면에는 폴리머 필름(polymer film) 코팅층이 형성될 수 있다. 이와 같이, 제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b)의 표면에 폴리머 필름 코팅층이 형성된 경우, 폴리머의 점탄성 특성에 의해서 제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b)로 전달되는 진동이 빠르게 감쇠되어 정상상태(stable state)에 도달하는 시간이 짧아지게 된다. 즉, 본 발명은 과도응답상태(transient state)가 줄어들게 되어 측정하고자 하는 마찰력의 값을 얻을 수 있는 시간을 단축 시킬 수 있다.
이와 같은 폴리머 필름 코팅층은 제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b)의 전체 표면에 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않고 제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b)가 서로 마주하는 면에만 형성되거나 그 반대편 면에만 제한적으로 형성되는 것도 물론 가능하다.
연결부재(21)는 제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b)의 일단에 연결되는 연결판(22)과, 연결판(22)에 일체로 연장 형성되는 시편지지홀더(23)를 포함할 수 있다. 이 경우, 시편지지홀더(23)는 제1 시편(31)이 삽입될 수 있도록 소정의 중공(25)을 가질 수 있다.
구동수단(16)은 작업대(15)를 구동하기 위하여 작업대(15)의 일면에 연결될 수 있다. 이 경우, 구동수단(16)은 회전 운동을 하는 회전형 모터나 병진 운동을 하는 리니어 모터로 이루어질 수 있다. 작업대(15)에는 제2 시편이 고정될 수 있다. 제2 시편은 작업대(15) 상에 접착 테이프(미도시)에 의해 부착되거나, 작업대(15)에 마련될 수 있는 소정의 클램프(미도시)에 의해 고정될 수 있다.
도 3은 도 2에서 Ⅲ부분을 확대한 도면으로, 연결부재(21)와 제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b)의 연결부분을 확대하여 나타내는 평면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 연결부재(21), 제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b) 및 제1 시편(31)의 결합관계를 나타낸 개략도이다.
도 3및 도 4를 참조하면, 제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b)는 제1 및 제2 캔틸레버 끼움홈(14a, 14b)을 가질 수 있다.
제1 및 제2 캔틸레버 끼움홈(14a, 14b)은 제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b)의 상단으로부터 제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b)의 길이방향에 대하여 대략 수직방향으로 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 캔틸레버 끼움홈(14a, 14b)의 깊이는 각 캔틸레버(13a, 13b)의 길이방향을 따르는 중심축(C)까지의 거리일 수 있다. 즉, 제1 및 제2 캔틸레버 끼움홈(14a, 14b)의 깊이는 각 캔틸레버(13a, 13b) 폭(W)의 절반일 수 있다.
연결판(22)은 제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b)에 연결부재(21)를 연결시키기 위하여 제1 및 제2 캔틸레버 끼움홈(14a, 14b)에 결합되는 제1 및 제2 결합홈(24a, 24b)을 가질 수 있다.
제1 및 제2 결합홈(24a,24b)은 연결판(22)의 양단부에 형성이 될 수 있고, 각각의 깊이는 제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b)의 폭(W)과 제1 및 제2 캔틸레버 끼움홈(14a, 14b)의 길이의 차에 대응될 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제 2 캔틸레버(13a, 13b)에 연결부재(21)를 결합하는 경우, 연결판(22)의 하단이 제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b)의 제1 및 제2 캔틸레버 끼움홈(14a, 14b) 반대측 단에 일치될 수 있다.
상기와 같이 제1 및 제2 캔틸레버 끼움홈(14a, 14b)과 제1 및 제2 결합홈(24a, 24b)이 상호 압박 상태로 끼움 결합됨에 따라, 정밀 마찰시험기(10)의 구동 시 발생하는 진동을 감쇠시킬 수 있다.
이러한 끼움 결합에 의하여, 정밀 마찰시험기(10)는 정상상태(stable state)에 도달하는 시간이 짧아지고, 지속적으로 발생하는 진동을 감소(진폭과 진동수(진동주기의 역수)의 감소)시켜 측정신호의 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 단일 캔틸레버 방식의 마찰시험기에서 나타날 수 있는 마찰신호의 불안정성을 해소할 수 있다.
시편지지홀더(23)는 연결판(22)의 일면에 부착되고, 제1 및 제2 결합홈(24a, 24b) 사이에 위치한다. 시편지지홀더(23)는 사각형 형상의 중공(25)을 가지는 육면체 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다. 시편지지홀더(23)의 중공(25)에는 제1 시편(31)이 삽입될 수 있다. 이때, 제1 시편(31)은 시편지지홀더(23)에 의해 지지되고, 일부가 돌출되도록 결합될 수 있다.
또한, 상기 시편지지홀더(23)의 중공(25)은 내벽에 나노 윤활제가 도포될 수 있다. 이를 통해, 정밀 마찰시험기(10)는 제1 시편(31)에 전달되는 마찰력은 에너지 손실을 줄여 제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b)에 전달될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 제1 시편(31)의 제조과정을 나타낸 것으로 마이크로 스피어가 플레이트에 부착되는 것을 나타낸 개략도이다.
도 5를 참조하면, 플레이트(32)에 복수의 마이크로 스피어(33)의 부착위치를 균일하게 하기 위하여 MEMS(MICRO ELECTRO MECHANIC SYSTEMS)공정을 통해 플레이트(32)의 일면에 복수의 부착홈(34)을 가공할 수 있다. 이렇게 정밀 가공된 부착홈(34)에는 복수의 마이크로 스피어(33)에 부착될 수 있다.
여기서, 제1 시편은(31) 플레이트(32)와, 플레이트(32)의 일면에 간격을 두고 부착되는 복수의 마이크로 스피어(33)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 복수의 마이크로 스피어(33)는 세 개로 구성될 수 있다. 또한 복수의 마이크로 스피어(33)를 부착한 플레이트(31)를 포함하는 제1 시편(31)은 표준시험편으로 미소 하중을 쉽게 가할 수 있다.
도 6 및 도 7은 마이크로 스피어 플레이트를 나타내는 측면도와 저면도이다.
도 6을 참조하면, 플레이트(32)에 형성된 복수의 부착홈(34)은 복수의 마이크로 스피어(33)가 부착된 이후의 플레이트(32)의 일면으로부터 돌출된 돌출 높이(h)들이 서로 동일하도록 설계되는 것이 바람직하다 이는 복수의 마이크로 스피어(33)가 제2 시편에 동시에 접촉되어 정밀한 마찰값을 획득하기 위함이다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 마이크로 스피어(33)가 이루는 무게중심(G)과 플레이트(32)의 무게중심(G)이 일치하도록 배치를 할 수 있다. (언급한 무게중심은 플레이트 상에 마이크로 스피어의 배치를 위해 이용되는 것으로, 무게중심을 찾을 때에는 플레이트(32)의 두께는 고려하지 않고, 복수의 마이크로 스피어(33)는 점 질량을 가진다고 가정을 한다. 발명의 설명과 청구범위에서 언급되는 무게중심도 동일한 가정을 한다.) 이는 제1 시편(31)이 시편지지홀더(23)에 삽입된 상태로 고정되었을 때, 제2 시편과 마찰측정 시 일정한 마찰력이 복수의 마이크로 스피어(33)에 전달되도록 하기 위함이다.
도 7에서는 예시적으로, 복수의 마이크로 스피어(33)가 3개인 것을 나타내었다. 플레이트(32)의 무게중심(G)은 대각선의 교점이 된다. 편의상 복수의 마이크로 스피어(33)의 배치는 이등변삼각형으로 가정을 하였고, 길이가 같은 변의 사이에 있는 꼭지점에서 나머지 변에 이르는 수선의 길이를 2:1로 분할할 수 있는 지점이 무게중심(G)이 된다. 이렇게 계산된 각각의 무게중심(G)을 일치시키는 방법으로 마이크로 스피어의 부착위치를 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저하중 정밀 마찰시험기(10)는 제1 시편(31)과 제2 시편에서 발생하는 마찰력을 측정하기 위해서, 제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b)에 부착된 제1 및 제2 측정장치(미도시)를 가질 수 있다. 상기 제1 및 제2 측정장치는 캔틸레버의 변형률을 측정할 수 있는 스트레인 게이지로 구성될 수 있다. 여기서, 정밀 마찰시험기(10)는 작동 시 마찰력에 의해 제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b)의 휨이 발생하면, 이러한 휨에 의한 각 캔틸레버(13a, 13b)의 변형률을 스트레인 게이지가 측정하여 얻은 변형률과 수직하중을 바탕으로 마찰력과 마찰계수 등을 산출하는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
이 경우, 제어부는 스트레인 게이지가 측정한 신호를 수집 처리하기 위하여, 스트레인 게이지에서 얻어진 신호를 전달하기 위하여 스트레인 게이지에 오실로스코프와 같은 신호처리장치나 계산장치에 전기적으로 연결이 될 수 있다. 이 경우, 제어부는 디스플레이 장치를 통해 이를 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저하중 정밀 마찰시험기(10)는 종래의 정밀 마찰시험기보다 작은 수직하중으로 마찰력과 마찰 거동을 측정할 수 있다. 바람직하게는 저하중 정밀 마찰시험기(10)의 수직하중은 대략 10mg 내지 100mg 정도로 작용될 수 있다.
또한, 마찰시험 시 수직하중은 제1 시편(31)의 자중에 의해 부여되며, 하중을 변경하고자 할 때는 플레이트(33) 상단에 추가 웨이터(미도시)를 부착하여 사용할 수 있다. 이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 정밀 마찰 시험기(10)의 마찰거동 측정은 하기 과정을 따른다.
먼저, 작업대(15)에 제2 시편을 안정적으로 부착 또는 클램핑 시킨다.
이어서, 시편지지홀더(23)에 제1 시편(31)을 삽입한 후, 3축 이동 가능한 스테이지(11)에 의해서 제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b)를 이동시켜 제1 시편(31)을 제2 시편의 상부에 닿게 위치시킨다.
이후 구동수단(16)을 작동시켜 작업대(15)가 운동하도록 한다. 이에 따라, 제1 시편(31)과 제2 시편 사이에서는 마찰력이 발생하게 된다.
제1 및 제2 캔틸레버(13a, 13b)에는 상기 마찰력에 의해 휨 변형이 발생한다. 이러한 휨 변형에 의한 각 캔틸레버의 변형률(13a, 13b)은 스트레인 게이지를 통하여 측정이 된다.
이러한 변형률과 가해지는 수직하중 등의 데이터는 오실로스코프와 같은 신호처리장치나 계산장치를 통해 마찰거동에서 나타나는 마찰력, 마찰계수 등의 값을 얻을 수 있다. 이러한 값은 사용자에게 디스플레이 장치를 통하여 제공될 수 있다.
도 8 내지 도 10은 캔틸레버의 구조에 따라 변하는 진동 감쇠 특성을 비교하는 그래프이다.
도 8은 100μN의 수직하중이 부가되었을 때의 진동특성을 비교한 그래프이다. 두 개의 그래프 중 도 8(a)는 단일 캔틸레버의 진동 감쇠 특성을 나타낸 것이고, 도 8(b)는 이중 캔틸레버의 진동 감쇠 특성을 나타낸 것이다.
과도응답상태(transient response state)를 거쳐 정상상태(stable state)로 진입하는 시점이 단일 캔틸레버는 대략 40초 전후이고, 이중 캔틸레버는 대략 5초인 것을 확인할 수 있다. 또한, 진폭을 살펴보면, 단일 캔틸레버는 진폭이 1.2mm 정도이지만, 이중 캔틸레버는 진폭이 대략 0.125mm 정도임을 확인할 수 있다.
또한 진동주기의 경우에도 단일 캔틸레버의 경우가 훨씬 짧은 것을 도 8에 도시된 그래프로부터 알 수 있다. 이는 이중 캔틸레버로 구성된 정밀 마찰시험기가 단일 캔틸레버보다 탄성특성이 줄어들기 때문이다.
따라서, 도 8에 도시된 그래프를 감안해볼 때, 이중 캔틸레버구조가 더 나은 진동 감쇠 특성을 보여주고, 빠르게 측정값의 획득이 가능하고, 진동에 의한 오차를 줄일 수 있음을 알 수 있다.
도 9는 동일한 단일 캔틸레버에 고무층을 코팅한 경우와 코팅하지 않은 경우의 진동 감쇠 특성을 나타낸 그래프이다. 이는 캔틸레버에 폴리머 필름 코팅을 하였을 경우에 효과의 유무를 살펴보기 위하여 실험을 한 것이다. 도 9(a) 는 캔틸레버에 고무층이 코팅이 된 것이고, 도 9(b) 는 캔틸레버에 고무층이 코팅이 되지 않은 그래프이다.
도 9의 그래프를 살펴보면, 고무층이 코팅이 된 경우에는 진폭이 1.2mm정도에서 0.8mm로 약간 줄어든 것을 확인할 수 있다. 또한 정상상태 도달 시간도 15초 정도로 절반이상 짧아진 것을 알 수 있다. 이는 고무층이 코팅되어 탄성특성이 줄어들기 때문이다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 폴리머 필름(polymer film)을 제1 및 제2 캔틸레버에 코팅을 함으로써, 폴리머의 점탄성 특성을 이용하여 진동을 감쇠시키는 효과를 가질 수 있다.
도 10은 100μN의 수직 하중이 부가되었을 때 연결판의 연결형태에 따른 진동특성을 비교한 그래프이다. 도 10(a)는 이중 캔틸레버와 연결판이 본딩 결합되어 있는 상태에서의 진동 감쇠 특성을 나타낸 것이고, 도 10(b)는 이중 캔틸레버와 연결판이 끼움식으로 결합되어 있는 상태에서의 진동 감쇠 특성을 나타내는 그래프이다.
도 10의 그래프를 살펴보면, 진폭에서는 연결판과 이중 캔틸레버간의 결합 구조로 인한 차이는 거의 없는 것을 확인할 수 있지만, 연결판과 본딩 결합한 경우의 정상상태 도달 시간은 대략 12초 정도로, 연결판이 끼움식으로 결합된 경우의 5초보다 긴 것을 알 수 있다. 또한 본딩 결합된 연결판의 경우에는 진동주기가 짧은 것을 확인할 수 있다. 이는 끼움 결합 방식으로 연결판이 이중 캔틸레버에 결합을 하여 서로간의 상호작용으로 진동의 영향이 줄어들기 때문임을 알 수 있다.
본 발명은 2015년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구결과이다(No.2015R1C1A1A01053416).
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
11 : 스테이지 12a : 제1 지지대
12b : 제2 지지대 13a : 제1 캔틸레버
13b : 제2 캔틸레버 14a: 제1 캔틸레버 끼움홈
14b : 제2 캔틸레버 끼움홈 15 : 작업대
16 : 구동수단 21 : 연결부재
22 : 연결판 23 : 시편지지홀더
24a : 제1 결합홈 24b : 제2 결합홈
25 : 중공 31 : 제1 시편
32 : 플레이트 33 : 마이크로 스피어
34 : 부착홈
C : 제1 및 제2 캔틸레버의 길이방향을 따르는 중심축
W : 제1 및 제2 캔틸레버의 폭
G : 다수의 마이크로 스피어 및 플레이트의 무게중심
h : 마이크로 스피어의 돌출 높이

Claims (15)

  1. 스테이지;
    일단이 상기 스테이지에 각각 고정되는 제1 및 제2 지지대;
    상기 제1 및 제2 지지대의 타단에 각각 고정되는 제1 및 제2 캔틸레버;
    상기 제1 및 제2 캔틸레버의 일단을 연결하고, 제1 시편을 지지하는 연결부재; 및
    상기 제1 시편이 마찰되도록 제2 시편을 이동하는 작업대;를 포함하고,
    상기 연결부재는 상기 제1 및 제2 캔틸레버 사이에 상호 압박 상태로 끼움 결합되는 것을 특징으로 하는 저하중 정밀 마찰시험기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연결부재는,
    양측에 상기 제1 및 제2 캔틸레버가 삽입되는 제1 및 제2 결합홈을 구비한 연결판; 및
    상기 연결판의 일면에 상기 제1 시편이 삽입되는 시편지지홀더;를 포함하는 것을 특징으로 하는 저하중 정밀 마찰시험기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스테이지는 상기 제1 및 제2 캔틸레버를 X축,Y축 및 Z축 중 적어도 어느 한 축 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 저하중 정밀 마찰시험기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 캔틸레버에 부착되는 제1 및 제2 측정장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저하중 정밀 마찰시험기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 측정장치는 캔틸레버의 변형률을 측정하는 스트레인 게이지인 것을 특징으로 하는 저하중 정밀 마찰시험기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 시편은,
    플레이트; 및
    상기 플레이트의 일면에 간격을 두고 부착되는 복수의 마이크로 스피어;를 포함하는 것을 특징으로 하는 저하중 정밀 마찰시험기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 스피어들이 이루는 무게중심이 상기 플레이트의 무게중심과 일치하는 것을 특징으로 하는 저하중 정밀 마찰시험기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 스피어는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)공정을 통해 형성된 상기 플레이트의 부착홈에 부착되는 것을 특징으로 하는 저하중 정밀 마찰시험기.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 스피어들은 각각 상기 플레이트로부터 동일한 돌출 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 저하중 정밀 마찰시험기.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제1 시편은,
    상기 플레이트 상단에 추가 웨이트(weight)를 더 가지는 것을 특징으로 하는 저하중 정밀 마찰시험기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 캔틸레버는 각각 폴리머 필름(Polymer film) 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 저하중 정밀 마찰시험기.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 시편지지홀더는 내부 벽면에 나노 윤활제가 도포되는 것을 특징으로 하는 저하중 정밀 마찰시험기.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 작업대는 구동수단에 의해 가동되는 것을 특징으로 하는 저하중 정밀 마찰시험기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 구동수단은 회전형 모터 또는 리니어 모터인 것을 특징으로 하는 저하중 정밀 마찰시험기.
KR1020160063211A 2016-05-24 2016-05-24 저하중 정밀 마찰시험기 KR101793593B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160063211A KR101793593B1 (ko) 2016-05-24 2016-05-24 저하중 정밀 마찰시험기

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160063211A KR101793593B1 (ko) 2016-05-24 2016-05-24 저하중 정밀 마찰시험기

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101793593B1 true KR101793593B1 (ko) 2017-11-06

Family

ID=60384350

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160063211A KR101793593B1 (ko) 2016-05-24 2016-05-24 저하중 정밀 마찰시험기

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101793593B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112540019A (zh) * 2020-12-04 2021-03-23 合肥工业大学 一种高速摩擦界面光学原位观测精密摩擦磨损试验机
RU223457U1 (ru) * 2023-12-01 2024-02-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Астраханский государственный технический университет" Трибометр

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010117233A (ja) 2008-11-13 2010-05-27 Kinugawa Rubber Ind Co Ltd 摩擦試験装置
JP2013007737A (ja) 2011-05-20 2013-01-10 Yokohama National Univ 摩擦振動抑制方法およびそれを用いた機械装置
JP2014016269A (ja) * 2012-07-10 2014-01-30 Kyowa Interface Science Co Ltd 摩擦試験装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010117233A (ja) 2008-11-13 2010-05-27 Kinugawa Rubber Ind Co Ltd 摩擦試験装置
JP2013007737A (ja) 2011-05-20 2013-01-10 Yokohama National Univ 摩擦振動抑制方法およびそれを用いた機械装置
JP2014016269A (ja) * 2012-07-10 2014-01-30 Kyowa Interface Science Co Ltd 摩擦試験装置

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112540019A (zh) * 2020-12-04 2021-03-23 合肥工业大学 一种高速摩擦界面光学原位观测精密摩擦磨损试验机
CN112540019B (zh) * 2020-12-04 2023-07-18 合肥工业大学 一种高速摩擦界面光学原位观测精密摩擦磨损试验机
RU223457U1 (ru) * 2023-12-01 2024-02-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Астраханский государственный технический университет" Трибометр

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3076124B1 (en) Tactile probing system
EP1793197B1 (en) Measuring probe with a plurality of concentrically arranged cantilevers
Claverley et al. Development of a three-dimensional vibrating tactile probe for miniature CMMs
US20030009898A1 (en) Characterization of compliant structure force-displacement behavior
US20090128171A1 (en) Microstructure Probe Card, and Microstructure Inspecting Device, Method, and Computer Program
JP2008539421A (ja) マイクロ衝撃試験装置
US8887584B2 (en) Load measuring apparatus
EP2820376A1 (en) Coordinate measuring machine with support beam having springs
US9535086B2 (en) Interface of a microfabricated scanning force sensor for combined force and position sensing
Li et al. An analogue contact probe using a compact 3D optical sensor for micro/nano coordinate measuring machines
Bütefisch et al. Micromechanical three-axial tactile force sensor for micromaterial characterisation
CN101261206B (zh) 材料纳米力学性能测试中的两自由度加载装置
KR101793593B1 (ko) 저하중 정밀 마찰시험기
US9021897B2 (en) Versatile, flexible, and robust MEMS/NEMS sensor for decoupled measuring of three-dimensional forces in air or liquids
Alblalaihid et al. Variable stiffness probing systems for micro-coordinate measuring machines
Temesvary et al. Design, fabrication, and testing of silicon microgimbals for super-compact rigid disk drives
Oiwa et al. Three-dimensional touch probe using three fibre optic displacement sensors
Metz et al. 3-D isotropic tactile microprobe based on a silicon parallelogram kinematic: From concept to fabrication
Buetefisch et al. Novel design for an ultra high precision 3D micro probe for CMM applications
Geng et al. Mechanical drift modeling and analysis of V-shaped linear ultrasonic motors with a flexible clamp
CN201277930Y (zh) 材料纳米力学性能测试中的两自由度加载装置
Hu et al. Investigation of a small force standard with the mass based method
Chu et al. Design of a high sensitivity capacitive force sensor
MA et al. An integrated compact unit for wide range micro-Newton force measurement
JP2016070667A (ja) 接触式プローブ及び形状測定装置

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant