KR101970206B1 - X-선 형광 분석기를 갖는 드론 장치 - Google Patents

X-선 형광 분석기를 갖는 드론 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치에 관한 것으로, 원격제어기의 제어 신호를 통해 양력으로 공중 비행 가능한 드론본체; 상기 드론본체의 하부에 구비되며, 암석 시료에 X-선을 주사한 후 상기 암석 시료에서 발생되는 형광 X-선을 분석하여 상기 시료의 원소 성분을 알아내는 X-선 형광분석기; 상기 드론본체에 상기 X-선 형광분석기를 고정 지지하는 지지부;를 포함하고, 상기 X-선 형광분석기는, X-선을 생성하여 상기 암석 시료에 주사하는 X-선관부; 상기 X-선을 받은 암석 시료의 전자가 여기 상태가 된 후 기저 상태로 돌아가면서 방출되는 형광 X-선을 받아 상기 형광 X-선을 파장별로 분산시키는 분광결정부; 상기 분광결정부을 통해 전달된 형광 X-선을 측정 및 분석하는 검출기부; 및 상기 X-선관부, 분광결정부 및 검출기부를 한 몸에 수용하고, 상기 지지부와 결합되는 박스형상의 분석기케이스;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

X-선 형광 분석기를 갖는 드론 장치 {Drones With X-Ray Fluorescence Spectrometer}
본 발명은 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 사용자의 원격제어에 의해 공중 비행이 가능한 드론에 X-선 형광분석기를 장착하여 절벽등 사용자의 접근이 어려운 곳에 위치한 암석의 광물 성분을 분석 및 탐색하기 위한 X-선 형광 분석기를 갖는 드론 장치에 관한 것이다.
1895년 독일의 뢴트겐은 방전관을 이용하여 실험하던 중 처음으로 X-선을 발견 하였다. 그 후 X-선을 이용한 연구는 화학 분야를 시작으로 화학 등 여러 분야에서 많은 발전을 거듭해 왔다.
1910년 바클러는 특성 X-선에 대하여 처음으로 증명하였으며, 3년 후에 모즐리가 각 원소의 특성 X-선의 파장과 원자 번호 사이의 상관 관계, 즉 파장의 제곱근이 원자번호에 반비례 함을 발견하여 원소의 정성 분석에 이용하기 시작하였다.
1950년대 말부너 X-선을 이용한 정성 및 정량 분석에 대한 관심이 높아지면서 현재는 광물, 시멘트, 금속, 석유화학 등 다양한 분야에서 널리 이용하고 있다.
X-선원으로 부터 방출되는 X-선이 시료에 조사되면 시료의 각 원소 안쪽 껍질에 존재하는 전자는 여기 상태가 된다.
여기 상태란, 최외각에 있는 전자가 외부로부터 에너지가 주어지면 에너지 준위가 높은 전자 궤도로 옮아가는데, 이 상태가 된 원자 또는 분자를 여기 상태에 있다고 한다.
여기된 전자는 상당히 들뜬 상태이며, 이를 안정화 시키기 위해 10-6s 정도만에 원 상태로 되돌아가기 위해 바깥 껍질에 있는 전자가 안쪽 껍질을 채우게 되는데 이러한 상태를 기저 상태라고 한다.
이 때, 각 껍질의 결합 에너지에 해당하는 에너지가 방출되는데 이를 특성 X-선 혹은 형광 X-선이라고 한다.
원소는 각 원소마다 형광 X-선의 고유한 에너지와 파장값을 갖고 있으므로, 여기상태에서 기저상태로 돌아갈 때 발생하는 에너지 값을 분석하여 성분 원소의 정성분석이 가능하고 검출한 X-선의 양으로 정량 분석을 할 수 있게 되는 것이다.
X-선 형광분석기는 암석 시료에 X-선을 주사한 후, 시료에서 발생하는 형광 X-선을 이용하여 분석하는 장비이다.
이러한 X-선 형광분석기는 비파괴(Non-Destructive Analysis)로 정성/정량 분석을 할 수 있는 장비로 시료의 형태를 변형 시키지 않고 5초 이내의 빠른 시간 안에 분석이 가능하기 때문에 성분 분석 및 함량 분석이 필요한 산업/연구 분야에서 범용적으로 활용이 되고 있다.
현재 산업 현장에서는 휴대가 가능한 휴대용 X-선 형광분석기가 많이 쓰이고 있으며 이러한 X-선 형광분석기는 대체로 마그네슘부터 우라늄까지 약 80여 가지의 원소를 분석해 낼 수 있다.
기존 형광분석장치의 종래기술로서, 대한민국 공개특허 제10-2017-0005361호를 살펴보면 방출부와, 방사선의 출사부가 방출부의 검사위치를 지향하도록 배치되는 튜브, 방출부의 검사위치를 지향하고 형광이 입력되는 검출부, 상기 튜브와 검출부 또는 방사선경로와 형광경로의 사이에 배치되는 광센서부를 포함하며, 상기 광센서부는 튜브의 작동 전에 외부로부터 유입되는 가시광에 대한 광량을 검출하여검사위치에 대한 샘플의 정확한 위치를 확인하도록 하는 휴대용 형광분석장치를 제공한 바 있다.
그러나 이러한 종래 기술과 같은 X-선 형광 분석기를 이용한 형광 분석 방법은 인력에 의해서만 측정이 가능하므로 측정하고자 하는 위치까지 사용자가 직접 이동해야 하여, 사람의 접근이 어렵거나 위험한 절벽과 같은 지역이나 관찰자의 시선이 닿지 않는 곳 및 사각지대에 있는 지층과 같은 곳은 측정이 불가능한 문제점이 있었다.
따라서, 직접 이동할 필요가 없이 사람의 접근이 어려운 지역 또는 관찰자의 시선이 닿지 않는 사각지대에서도 X-선 형광 분석이 가능하도록 하는 장치의 필요성이 대두된다.
[특허문헌] KR 10-2017-0005361 (공개일자 2017년 01월 12일)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 사용자의 접근이 어렵거나 위험한 절벽과 같은 지역으로 드론을 접근시켜 드론이 공중에 머무른 상태에서 해당 위치의 암석 시료의 정성 및 정량 분석을 가능하게 하는 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치는 원격제어기의 제어 신호를 통해 양력으로 공중 비행 가능한 드론본체; 상기 드론본체의 하부에 구비되며, 암석 시료에 X-선을 주사한 후 상기 암석 시료에서 발생되는 형광 X-선을 분석하여 상기 시료의 원소 성분을 알아내는 X-선 형광분석기; 상기 드론본체에 상기 X-선 형광분석기를 고정 지지하는 지지부;를 포함하고, 상기 X-선 형광분석기는, X-선을 생성하여 상기 암석 시료에 주사하는 X-선관부; 상기 X-선을 받은 암석 시료의 전자가 여기 상태가 된 후 기저 상태로 돌아가면서 방출되는 형광 X-선을 받아 상기 형광 X-선을 파장별로 분산시키는 분광결정부; 상기 분광결정부을 통해 전달된 형광 X-선을 측정 및 분석하는 검출기부; 및 상기 X-선관부, 분광결정부 및 검출기부를 한 몸에 수용하고, 상기 지지부와 결합되는 박스형상의 분석기케이스;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 지지부는 상기 드론본체의 하부에 승강 가능하게 구비된 길이 방향의 승강조절부; 및 상기 승강조절부의 하단에 힌지 연결되어 각도 조절이 가능하며, 하단에 상기 X-선 형광분석기가 결합되는 회전지지부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 X-선 형광분석기는 상기 X-선관부가 상기 분석기케이스 외부로 돌출 되고, 상기 분석기케이스 내부에 구비되며 상기 X-선관부의 돌출 정도를 조절하는 X-선투과유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 X-선 형광분석기는 일정거리 이내의 광물을 감지하는 적외선센서; 상기 암석 시료를 이미지로 확인 가능하도록 하는 카메라; 및 상기 카메라로부터 확인된 이미지 및 상기 적외선 센서로부터 감지된 광물 데이터를 분석하는 컨트롤러;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 드론본체는 원격제어기의 제어신호를 전달받아 상기 드론본체, 지지부 및 X-선 형광분석기를 제어하는 중앙제어부; 상기 드론본체의 내부에 구비되고, 상기 드론본체, 지지부 및 X-선 형광분석기로 전력을 공급하는 배터리부; 및상기 드론본체의 하부에서 하측 방향으로 연장되며, 각각의 단부가 바닥면을 지지하여 상기 드론본체를 바닥면에 안착시키는 복수 개의 다리부;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 원격제어기와 중앙제어부의 상호 통신 체계는 RF통신, 초단파(VHF)모뎀, 무선 인터넷 프로토콜(WiFi) 및 인공위성통신 모뎀 중에서 선택되는 어느 하나이고, 상기 드론본체에 구비되며 상기 드론본체의 통신 체계 신호를 수신받는 안테나부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 배터리부는 상기 드론본체의 비행을 위한 구동 모터 작동, X-선 형광분석기에서의 X-선 조사 및 상기 X-선투과유닛의 길이 조절을 위한 전력을 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 분석기케이스는 하단에 지층면과 인접하여 발생하는 충격을 완화시키기 위한 완충부재를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 X-선 형광분석기는 상기 중앙제어부의 제어 신호를 전달받아 상기 카메라 및 컨트롤러를 제어하며, 측정된 광물데이터를 상기 원격제어기로 재송부하여 사용자가 육안으로 광물데이터를 식별할 수 있도록 하는 측정장치제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 X-선투과유닛은 측면 일측에 길이 방향으로 구비되는 래크기어;상기 래크기어와 치합하는 피니언기어; 상기 피니언기어의 회동을 제어하는 회동모터; 및 상기 래크기어의 양 끝단에 구비되어 상기 피니언기어의 회동을 고정하기 위한 스톱퍼;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치에 의하면, 드론이 사용자의 원격제어에 의해 공중 비행함으로써, 사람의 접근이 어렵거나 위험한 절벽과 같은 위치의 암석 시료의 X-선 형광분석기를 이용한 정성 및 정량 분석이 가능하도록 하는 효과가 있다.
또한, 인력을 이용하지 않고 원격 제어를 통해 자동으로 X-선 형광분석이 이루어짐으로 작업 효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 탐색이 끝난 후 촬영되거나 측정된 암석 시료의 광물데이터를 정리하고 분석하기가 용이하고, 사용자가 실시간으로 광물 탐색 상황을 확인할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치를 나타내는 측면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치의 지지부를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치의 회전지지부의 작동 상태를 나타내는 상태도이다.
도 5는 본 발명에 따른 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치의 작동 상태를 나타내는 블록도이다.
도 6는 본 발명에 따른 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치의 사용 상태를 나타내는 제1예시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치의 사용 상태를 나타내는 제2예시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치를 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치를 나타내는 측면도이다.
본 발명에 따른 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치(1)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 드론본체(100), X-선 형광분석기(200) 및 지지부(300)를 포함한다.
상기 드론본체(100)는 회전력에 의해 양력을 발생시켜 공중비행하면서 사용자가 원하는 방향으로 이동하도록 구비되는 것으로, 원격제어기(C)를 이용하여 상기 드론본체(100)를 원거리에서 원하는 방향으로 컨트롤하여 공중 비행하도록 구비된다.
또한, 상기 드론본체(100)는 회전익부(110), 몸체하우징(120) 및 다리부(130)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 회전익부(110)는 고정프레임(111), 수평프레임(112), 구동모터(113) 및 날개(114)를 포함한다.
상기 고정프레임(111)은 상기 드론본체(100)의 양측면을 관통하여 결합되는 것으로, 상기 드론본체(100)의 측면에 견고하게 고정되면서 양력의 발생에 의해 비행되는 상기 드론본체(100)를 지지하도록 구비된다.
상기 수평프레임(112)은 상기 고정프레임(111)의 양측 단부에 상기 고정프레임(111)과 직각방향으로 결합되도록 각각이 상기 드론몸체(100)의 길이 방향으로 구비되어 상기 고정프레임(111)을 상호 연결하여 고정시킬 수 있다.
또한, 상기 수평프레임(112)은 상기 고정프레임(111)을 상호 연결하여 견고하게 고정시키며 후술할 구동모터(113)가 상기 수평프레임(112)의 단부에 각각 결합되도록 구비된다.
상기 구동모터(113)는 상기 수평프레임(112)의 양측 단부에 각각 구비되어 후술할 상기 드론본체(100) 날개(114)의 회전력을 발생시키는 것이다.
또한, 상기 구동모터(113)는 후술할 배터리부(122)로부터 전력을 공급받고, 후술할 중앙제어부(121)의 제어신호를 전달받아 회전력을 발생시킨다.
상기 날개(114)는 상기 구동모터(113)의 단부에 각각 결합되어 상기 구동모터(113)의 회전력을 전달받아 회전한다.
또한, 상기 날개(114)는 상기 드론본체(100)에 양력을 발생시켜 상기 드론본체(100)가 공중비행하여 이동 가능할 수 있도록 복수 개가 구비된다.
상기 몸체하우징(120)은 상기 회전익부(110)의 하단에 결합되어 상기 회전익부(110)의 회전으로 발생하는 양력에 의해 공중 비행되는 것이다.
또한, 상기 몸체하우징(120)은 외주면에 방수 및 방진 코팅처리가 되어 있어 임무수행 중 외부 환경으로 인한 오작동을 방지할 있다.
또한, 상기 몸체하우징(120)은 내부에 중앙제어부(121), 배터리부(122) 및 안테나부(123)를 포함할 수 있다.
상기 중앙제어부(121)는 사용자가 조작하는 원격제어기(C)와 상호 통신하며 상기 드론본체(100)의 회전익부(110), 후술할 지지부(300) 및 후술할 X-선 형광분석기(200)의 일련의 작동을 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 중앙제어부(121)는 상기 회전익부(110), 지지부(300) 및 X-선 형광분석기(200)로 제어 신호를 전달하는 것으로, X-선 형광분석기(200)로 암석시료를 분석하기 위해 사용자가 컨트롤하여 상기 원격제어기(C)로부터 전달되는 제어신호를 상기 회전익부(110), 지지부(300) 및 X-선 형광분석기(200)로 전달하며, 후술할 카메라(270)가 촬영한 영상데이터가 상기 중앙제어부(121)를 통해 상기 원격제어기(C)로 전달되어 사용자가 육안으로 확인이 가능하도록 구비된다.
또한, 상기 중앙제어부(121)와 상기 원격제어기(C)의 상호 통신 체계는 RF통신, 초단파(VHF), 무선 인터넷 프로토콜(WiFi) 및 인공위성통신 모뎀 중에서 선택되는 어느하나를 포함할 수 있고, 상기 통신 체계 신호는 상기 안테나부(123)에서 수신된다.
상기 통신 체계는 원거리에서 상기 원격제어기(C)와 상기 중앙제어부(121)가 제어신호 및 영상 데이터를 상호 통신하기 위한 무선 신호를 송신 및 수신하도록 구비된다.
상기 배터리부(122)는 상기 중앙제어부(121)와 이격되도록 상기 몸체하우징(120) 내부에 구비되어 상기 회전익부(110), 지지부(300) 및 X-선 형광분석기(200)로 전력을 공급하는 것으로, 전력공급을 위해 사용자에 의해 충전될 수 있다.
구체적으로, 상기 배터리부(122)는 상기 드론본체(100)의 비행을 위한 상기 구동모터(113), X-선 형광분석기(200)에서의 X-선 조사 및 후술할 X-선투과유닛(230)의 길이조절을 위한 전력을 공급할 수 있다.
상기 안테나부(123)는 상기 드론본체(100)의 일측에 구비되어 상기 원격제어기(C)와 중앙제어부(121)의 무선 통신 체계 신호를 수신 받는 것이다.
상기 다리부(130)는 상기 몸체하우징(120)의 하면에서 하부방향으로 연장되어 바닥면을 지지하도록 구비되는 것으로, 상기 드론본체(100)의 이착륙시 상기 다리부(130)의 단부가 상기 드론본체(100)를 바닥면으로부터 지지하도록 구비된다.
상기 X-선 형광분석기(X-Ray Fluorescence Spectrometer; XRF)(200)는 비파괴(Non-Destructive Analysis)로 시료의 정성 및 정량 분석을 할 수 있는 장비이다.
상기 X-선 형광분석기(200)는 상기 X-선 형광분석기에 고전압 전류가 흐르게 되면 X-선이 방출되고, 방출된 X-선이 시료에 조사 되면 시료내에 존재하는 원소의 궤도내 전자가 여기된다.
이러한 여기상태의 전자가 기저 상태로 돌아가면서 각 원소에 따라 특성 형광 X-선이 방출되고, 방출된 형광 X-선이 분광결정에 의해 회절이 된 후 검출기를 거치면서 분석 결과를 얻게 되는 것이다.
이러한, 상기 X-선 형광분석기(200)는 도2에 도시된 바와 같이 분석기 케이스(210), X-선관부(220), X-선투과유닛(230), 분광결정부(240), 검출기부(250), 적외선센서(260), 카메라(270), 컨트롤러(280), 측정장치제어부(290) 및 완충부재(211)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 분석기케이스(210)는 상기 X-선관부(220), X-선투과유닛(230), 분광결정부(240), 검출기부(250), 적외선센서(260), 카메라(270), 컨트롤러(280) 및 측정장치제어부(290)를 한 몸에 수용하는 박스 형상의 외장부재로서 상기 지지부(300)와 결합되어 배치된다.
또한, 상기 분석기케이스(210)는 외주면에 방수 및 방진 코팅처리가 되어 있어 임무수행 중 외부 환경으로 인한 오작동을 방지할 수 있다.
한편, 상기 분석기케이스(210)는 비행 중 암석 시료에 상기 X-선관부(220)가 용이하게 닿을 수 있도록 좌우 수평 방향으로 길게 형성된 사각기둥이나 원기둥 또는 다각형의 기둥형상일 수 있다.
또한, 상기 분석기케이스(210)는 상기 분석기케이스(210)와 결합된 상기 지지부(300)의 길이 조절에 의해 일정 높이의 상하 이동이 가능하여 암석시료의 분석 작용이 없을 때는 상기 분석기케이스(210)의 하단이 상기 다리부(130) 하단보다 윗쪽에 놓이도록 배치되었다가 암석시료의 분석 작용시에는 필요에 따라 상기 다리부(130) 아래쪽까지 내려올 수 있도록 구성될 수 있다.
상기 X-선관부(220)는 상기 분석기케이스(210)에 돌출되어 배치되는 것으로, X-선을 생성하여 상기 암석 시료로 X-선을 방출하는 것이다.
구체적으로, 상기 X-선관부(220)는 빠른 속도로 운동하는 전자선을 만든 뒤 물질과 부딪혀 X-선을 생성하게 된다.
또한, 상기 X-선관부(220)는 분석하고자 하는 암석 시료와 닿아야 하는 구성으로 암석 시료와 닿는 상기 X-선관부(220)의 일측면은 충격에 견고한 메탈소재로 구성되는 메탈 커버를 사용하여 파손으로부터 보호될 수 있도록 구성한다.
상기 X-선투과유닛(230)은 상기 분석기케이스(210) 내부에 관체형상을 갖으며 상기 X-선관부(220)와 연결되는 것으로 상기 X-선관부(220)의 돌출 정도를 조절한다.
또한, 상기 X-선투과유닛(230)은 제1래크기어(231), 제1피니언기어(232), 제1회동모터(233) 및 스톱퍼(234)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1래크기어(231)는 상기 X-선투과유닛(230)의 측면 일측에 길이 방향으로 구비된다.
상기 제1래크기어(231)는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 X-선투과유닛(230)의 외측면에 구비될 수 있으나 상기 X-선투과유닛(230)이 관통형일 경우 상기 X-선투과유닛(230)의 내측면에 구비될 수도 있다.
상기 제1피니언기어(232)는 상기 제1래크기어(231)와 상호 작용하여 상기 제1래크기어(231)와 치합하는 것으로 상기 분석기케이스(210) 일측에 연결 고정되어 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1피니언기어(232)는 상기 제1래크기어(231)가 상기 X-선투과유닛(230)의 내측면에 구비되는 경우에는 상기 X-선투유닛(230) 내부에 구비될 수 있다.
또한, 상기 제1피니언기어(232)와 상기 제1래크기어(231)의 치합으로 X-선투과유닛(230)과 연결된 상기 X-선관부(220)의 돌출 정도가 조절될 수 있다.
상기 제1회동모터(233)는 상기 제1피니언기어(232)와 연결되어 상기 제1피니언기어(232)의 회동을 제어 하는 구동 장치이다.
또한, 상기 제1회동모터(233)는 상기 분석기케이스(210)와 연결되어 상기 제1피니언기어(232)의 회동을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제1회동모터(233)는 상기 배터리부(122)에서 전력을 공급받으며 상기 중앙제어부(121)의 제어를 받아 작동될 수 있다.
상기 스톱퍼(234)는 상기 제1래크기어(231)의 양 끝단에 구비되는 것으로 상기 제1피니언기어(232)가 상기 제1래크기어(231)에서 이탈되는 것을 방지하도록 구비된다.
따라서, 상기 스톱퍼(234)는 상기 제1래크기어(231)에서 돌출되는 형상으로 상기 제1래크기어(231)의 양 끝단에서 상기 제1피니언기어(232)의 이동을 정지시킬 수 있다.
이렇듯, 상기 X-선투과유닛(230)의 좌우 이동이 조절됨에 따라, 상기 X-선투과유닛(230)과 연결된 상기 X-선관부(220)는 측정장소에 따라 상기 분석기케이스(210)에서의 돌출 정도가 조절되어 다양한 지형에서의 암석 시료 분석이 가능하도록 한다.
상기 분광결정부(240)는 상기 분석기케이스(210) 내부에 구비되는 것으로, X-선을 받은 암석시료가 여기 상태에서 기저상태로 돌아가면서 방출되는 형광 X-선을 받아 파장별로 분산시키기 위한 것이다.
또한, 상기 분광결정부(240)는 분산하여야 할 파장 영역에 따라 플루오르화리튬, 석영, EDDT 등 상이한 격자면 간격을 갖는 분광결정을 구분 사용한다.
분광결정부를 갖는 본 발명에서는 암석 시료에서 방출된 형광 X-선이 분광결정에 의한 회절이 일어나 각 원소에서 발생한 X-선을 파장별로 분리할 수 있어 피크분해능이 좋고 검출한계가 낮게 나타나는 특징이 있다.
상기 검출기부(250)는 상기 분석기케이스(210) 내부에 구비되어 상기 분광결정부(240)를 통해 전달된 형광 X-선을 측정 및 분석하는 것이다.
또한, 상기 검출기부(250)는 X-선 형광분석기(200)에서 가장 중요한 부분으로 피크의 분해능이 중요한 요소가 되며, Mn-Ka의 반치폭인 FWHM으로 그 성능을 평가하게 된다.
상기 적외선센서(260)는 상기 분석기케이스(210) 내부 및 외측면 일측에 구비되는 물체 감지 센서이다.
따라서, 상기 적외선센서(260)는 암석 시료와 접촉하는 X-선관부(220)와 근접한 위치에 배치되어 물체의 감지가 용이하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 적외선센서(260)는 암석 시료와의 거리가 1.5cm이내 일 때 X-선이 조사되도록 하여 상기 X-선 형광분석기(200)의 안정성을 확보하기 위한 것이다.
상기 카메라(270)는 상기 분석기케이스(210) 내부 또는 외측면 일측에 구비되어, 사용자가 암석 시료의 이미지를 확인한 후 X-선을 조사할 수 있도록 구비되는 것이다.
또한, 상기 카메라(270)는 작은 크기의 시료 및 복합 원소로 구성된 광물의 스펙트럼을 이용한 원소 확인이 가능한 카메라일 수 있다.
상기 컨트롤러(280)는 상기 분석기케이스(210) 내부에 구비되어 상기 카메라(270)로부터 확인된 이미지 및 상기 적외선센서(260)로부터 감지된 데이터를 제어하고 분석하는 것이다.
상기 측정장치제어부(290)는 상기 분석기케이스(210) 내부에 구비되어 상기 중앙제어부(121)의 제어 신호를 전달받아 상기 카메라(270) 및 컨트롤러(280)를 제어하며 측정된 광물데이터를 상기 원격제어기(C)로 재송부하여 사용자가 원격제어기(C)에서 육안으로 측정데이터를 식별할 수 있도록 구비되는 것이다.
상기 완충부재(211)는 상기 분석기케이스(210)의 외측 하단에 구비되어 상기 분석기케이스(210)가 지층면과 인접하여 충돌이 발생할 경우 충격을 완화시킴으로써 발생되는 충격으로 인해 상기 X-선 형광분석기(200)가 파손되는 것을 방지하도록 구비된다.
또한, 상기 완충부재(211)는 충격 흡수가 가능한 스펀지, 우레탄, 고무, 스티로폼, 메모리폼 및 라텍스 중 하나 이상의 소재를 사용할 수 있으며, 이와 동일한 효과를 내는 다른 소재의 사용을 배재하는 것은 아니다.
또한, 상기 완충부재(211)는 도시되지는 않았지만 상기 분석기케이스 외측 하단면을 일체로 덮는 형태일 수 있으며, 상기 분석기케이스(210) 하단면의 테두리부를 감싸는 형태일 수도 있다.
도 3은 본 발명에 따른 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치의 지지부를 나타내는 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치의 회전지지부의 작동 상태를 나타내는 일부 상태도이다.
상기 지지부(300)는 도 3내지 도4에 도시된 바와 같이 승강조절부(310) 및 회전지지부(320)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 승강조절부(310)는 상기 드론본체(100)의 하부에 길이 방향으로 구비되고 승강이 가능한 구조로써 상기 X-선 형광분석기(200)의 상하 이동을 가능하게 한다.
따라서, 상기 승강조절부(310)는 상기 중앙제어부(121)의 제어 신호를 전달 받아 길이가 가변되도록 내관부(311), 외관부(312), 제2래크기어(313), 제2피니언기어(314) 및 제2회동모터(315)를 포함할 수 있다.
상기 내관부(311)는 상기 승강조절부(310) 중 상기 드론본체(100)와 연결되는 것으로 상기 드론본체(100)의 하면에서 하부방향으로 연장되는 길이방향의 관형상으로 구비된다.
또한, 상기 내관부(311)는 상기 외관부(312)의 중공부로 삽입되어 상기 승강조절부(310)의 길이가 가변되도록 구비된다.
상기 외관부(312)는 상기 내관부(311)의 하단에 구비되고 상기 내관부(311)가 내측에 삽입될 수 있도록 상부 내측에 일정 깊이의 중공부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 외관부(312)는 하부에 후술할 회전지지부(320)와의 힌지결합을 위한 삽입홈을 포함할 수 있다.
또한, 상기 외관부(312)는 상기 내관부(311)의 외주면을 따라 슬라이드 되면서 상기 승강조절부(310)의 길이를 가변할 수 있다.
따라서, 상기 외관부(312)의 내측둘레는 상기 내관부(311)의 외측둘레보다 조금 크거나 유사하게 구성되어 상기 내관부(311)가 상기 외관부(312)에 안전하게 고정될 수 있도록 구비된다.
상기 제2래크기어(313)는 상기 내관부(311)의 외주면 일측에 길이 방향으로 구비된다.
상기 제2피니언기어(314)는 상기 제2래크기어(313)와 상호 작용하여 상기 제2래크기어(313)와 치합하는 것으로 상기 외관부(312) 일측에 연결 고정되어 구성될 수 있다.
또한, 상기 제2피니언기어(314)와 상기 제2래크기어(313)의 치합으로 상기 내관부(311)가 상기 외관부(312)의 중공부로 상,하 이동되어 측정 상황에 따라 상기 X-선 형광분석기(200)의 측정 높이를 조절할 수 있다.
상기 제2회동모터(315)는 상기 제2피니언기어(314)와 연결되어 상기 제2피니언기어(314)의 회동을 제어 하는 구동 장치이다.
또한, 상기 제2회동모터(315)는 상기 제2피니언기어(314)와 연결되어 상기 제2피니언기어(314)의 회동을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제2회동모터(315)는 상기 외관부(312)와 연결되어 상기 제2피니언기어(314)의 회동을 제어할 수도 있다.
또한, 상기 제2회동모터(315)는 상기 배터리부(122)에서 전력을 공급받으며 상기 중앙제어부(121)의 제어를 받아 작동될 수 있다.
상기 회전지지부(320)는 상기 승강조절부(310)의 외관부 하단에 힌지 결합으로 배치되어 상기 X-선 형광분석기(200)의 세밀한 위치 이동이 가능하도록 구비된다.
일실시예에서, 상기 회전지지부(320)는 지지부몸체(321), 힌지(322), 수회전기어(323), 암회전기어(324) 및 제3회동모터(325)를 포함한다.
상기 지지부몸체(321)의 상단에는 상기 힌지(322)가 연결되며고 상기 지지부몸체(321)는 상기 힌지(322)에 의해 상기 외관부(312)의 삽입홈에 삽입된 상태로 연결된다. 상기 힌지(322)는 수평방향으로 연장 형성된 원통 형상으로 상기 삽입홈의 내측 상부를 가로지르도록 구비되며 상기 힌지(322)의 축을 기준으로 상기 지지부몸체가 일정 각도 회전되는 구조를 갖는다.
상기 힌지(322)와 상기 외관부(312) 삽입홈의 내부 상측 면 사이는 상기 지지부몸체(321)의 회전이 자유롭도록 일정 거리 이격되는 것이 바람직하다.
상기 힌지(322)의 외주면 일측에는 상기 힌지(322)와 일체로 고정되며 톱니 형상을 갖는 암회전기어(324)가 구비되고, 상기 암회전기어(323)에는 상기 암회전기어(323)와 대응되는 형상을 갖는 수회전기어(323) 체결되어 상기 암회전기어(323)와 수회전기어(323)가 서로 맞물려 상기 힌지(322)를 회전시키는 구조를 갖는다.
상기 수회전기어(323)는 제3 회동모터와 연결되는데, 상기 제3 회동모터는(325)는 상기 외관부(312) 삽입홈 내주면 일측에 구비되고 상기 수회전기어(323)와 연결되어 상기 수회전기어(323)의 회동을 제어하게 구비된다.
또한, 상기 제3회동모터(325)는 상기 배터리부(122)에서 전력을 공급받으며 상기 중앙제어부(121)의 제어를 받아 작동될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치의 작동 상태를 나타내는 블록도이다.
상기 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치(1)는 사용자가 원격제어기(C)로 상기 드론장치(1)에 특정 제어 신호를 보내면 상기 드론본체(100) 내부에 구비된 안테나부(123)가 상기 제어 신호를 수신 받고, 상기 안테나부(123)는 상기 중앙제어부(121)로 상기 제어 신호를 송신하며, 상기 중앙제어부(121)는 상기 제어신호를 기반으로 상기 드론본체(100)에 구비된 구동모터(113), 제1회동모터(233), 제2회동모터(315), 제3회동모터(325)를 동작시키고 상기 X-선 형광분석기(200)에 구비된 측정장치제어부(290)로 상기 제어 신호를 전달한다.
특히, 상기 측정장치제어부(290)는 상기 중앙제어부(121)에서 전달받은 제어 신호에 따라 상기 X-선 형광분석기(200) 내부에 구비된 카메라(270), 컨트롤러(280) 및 적외선센서(260)를 제어하고 측정된 광물데이터 및 이미지를 전달받아 상기 원격제어기(C)로 재송부하여 사용자가 원격제어기(C)에서 육안으로 측정데이터를 식별할 수 있도록 한다.
도 6는 본 발명에 따른 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치의 사용 상태를 나타내는 제1예시도이다
상기 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치(1)는 상기 드론본체(100)의 회전익부(110)에 의해 원하는 위치로 이동하는 1단계 높이 조절 후 승강조절부(310)에 의한 2단계 높이 조절이 가능하고, 회전지지부(320)에 의한 3단계 높이 조절이 가능하도록 구비되어 사용자의 암석 시료의 분석이 용이하고 정확하게 이루어질 수 있도록 구성될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치의 사용 상태를 나타내는 제2예시도이다.
상기 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치(1)의 또다른 실시예로서 상기 X-선 형광분석기(200)의 X-선관부(220)를 상기 분석기케이스(210) 하단으로 돌출되게 배치하여 상기 X-선 형광분석기(200)의 하단으로 X-선이 조사되게 구성되어 인력으로 올라가기 어려운 높은 위치의 암석 시료의 측정이 가능하도록 구성될 수 있다.
이러한 경우 도시되지는 않았지만 상기 X-선관부(220)는 상기 분석기케이스(210)의 하단에 돌출되게 구성되며, 상기 완충부재(211)는 상기 분석기케이스(210) 하단 테두리를 감싸는 형태로 구성되고, 상기 카메라(270) 및 상기 적외선센서(260)는 상기 분석기케이스(210) 하측에 배치될 수 있다.
상기 X-선관부는 복수일 수 있으며, 이 경우 상기 복수의 X-선관부 중 어느 하나는 상기 분석기케이스의 아래 방향으로 X-선을 조사하고 다른 하나는 상기 분석기케이스의 측면방향으로 X-선을 조사한다.
상기와 같은 복수의 X-선관부를 갖는 드론 장치는 다양한 지형에서 측정이 용이한 장점을 갖는다.
상기와 같은 본 발명에 따른 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치에 의하면, 드론이 사용자의 원격제어에 의해 공중 비행함으로써, 사람의 접근이 어렵거나 위험한 절벽과 같은 위치의 암석 시료의 X-선 형광분석기를 이용한 정성 및 정량 분석이 가능하도록 하는 효과가 있다.
또한, 인력을 이용하지 않고 원격 제어를 통해 자동으로 X-선 형광분석이 이루어짐으로 작업 효율이 향상되는 효과가 있다.
이상에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
1 : X-선 형광 분석기를 갖는 드론 장치
C : 원격제어기
100 : 드론본체
110 : 회전익부
111 : 고정프레임
112 : 수평프레임
113 : 구동모터
114 : 날개
120 : 몸체하우징
121 : 중앙제어부
122 : 배터리부
123 : 안테나부
130 : 다리부
200 : X-선 형광분석기
210 : 분석기케이스
211 ; 완충부재
220 : X-선관부
230 : X-선투과유닛
231 : 제2래크기어
232 : 제2피니언기어
233 : 제1회동모터
234 : 스톱퍼
240 : 분광결정부
250 : 검출기부
260 : 적외선센서
270 : 카메라
280 : 컨트롤러
290 : 측정장치제어부
300 : 지지부
310 : 승강조절부
311 : 내관부
312 : 외관부
313 : 제2래크기어
314 : 제2피니언기어
315 : 제2회동모터
320 : 회전지지부
321 : 지지부몸체
322 : 힌지
323 : 수회전기어
324 : 암회전기어
325 : 제3회동모터

Claims (10)

  1. 원격제어기의 제어 신호를 통해 양력으로 공중 비행 가능한 드론본체;
    상기 드론본체의 하부에 구비되며, 암석 시료에 X-선을 주사한 후 상기 암석 시료에서 발생되는 형광 X-선을 분석하여 상기 시료의 원소 성분을 알아내는 X-선 형광분석기;
    상기 드론본체에 상기 X-선 형광분석기를 고정 지지하는 지지부;를 포함하고,
    상기 X-선 형광분석기는,
    X-선을 생성하여 상기 암석 시료에 주사하는 X-선관부;
    상기 X-선을 받은 암석 시료의 전자가 여기 상태가 된 후 기저 상태로 돌아가면서 방출되는 형광 X-선을 받아 상기 형광 X-선을 파장별로 분산시키는 분광결정부;
    상기 분광결정부을 통해 전달된 형광 X-선을 측정 및 분석하는 검출기부; 및
    상기 X-선관부, 분광결정부 및 검출기부를 한 몸에 수용하고, 상기 지지부와 결합되는 박스형상의 분석기케이스;를 포함하며,
    상기 X-선 형광분석기는,
    상기 X-선관부가 상기 분석기케이스 외부로 돌출 되고, 상기 분석기케이스 내부에 구비되며 상기 X-선관부의 돌출 정도를 조절하는 X-선투과유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 지지부는,
    상기 드론본체의 하부에 승강 가능하게 구비된 길이 방향의 승강조절부; 및
    상기 승강조절부의 하단에 힌지 연결되어 각도 조절이 가능하며, 하단에 상기 X-선 형광분석기가 결합되는 회전지지부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 X-선 형광분석기는,
    일정거리 이내의 광물을 감지하는 적외선센서;
    상기 암석 시료를 이미지로 확인 가능하도록 하는 카메라; 및
    상기 카메라로부터 확인된 이미지 및 상기 적외선 센서로부터 감지된 광물 데이터를 분석하는 컨트롤러;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 드론본체는,
    원격제어기의 제어신호를 전달받아 상기 드론본체, 지지부 및 X-선 형광분석기를 제어하는 중앙제어부;
    상기 드론본체의 내부에 구비되고, 상기 드론본체, 지지부 및 X-선 형광분석기로 전력을 공급하는 배터리부; 및
    상기 드론본체의 하부에서 하측 방향으로 연장되며, 각각의 단부가 바닥면을 지지하여 상기 드론본체를 바닥면에 안착시키는 복수 개의 다리부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 원격제어기와 중앙제어부의 상호 통신 체계는,
    RF통신, 초단파(VHF)모뎀, 무선 인터넷 프로토콜(WiFi) 및 인공위성통신 모뎀 중에서 선택되는 어느 하나이고,
    상기 드론본체에 구비되며 상기 드론본체의 통신 체계 신호를 수신받는 안테나부를 포함하는 것을 특징으로 하는 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 배터리부는,
    상기 드론본체의 비행을 위한 구동 모터 작동, X-선 형광분석기에서의 X-선 조사 및 상기 X-선투과유닛의 길이 조절을 위한 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 분석기케이스는 하단에 지층면과 인접하여 발생하는 충격을 완화시키기 위한 완충부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 X-선 형광분석기는,
    상기 중앙제어부의 제어 신호를 전달받아 상기 카메라 및 컨트롤러를 제어하며, 측정된 광물데이터를 상기 원격제어기로 재송부하여 사용자가 육안으로 광물데이터를 식별할 수 있도록 하는 측정장치제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 X-선투과유닛은,
    측면 일측에 길이 방향으로 구비되는 래크기어;
    상기 래크기어와 치합하는 피니언기어;
    상기 피니언기어의 회동을 제어하는 회동모터; 및
    상기 래크기어의 양 끝단에 구비되어 상기 피니언기어의 회동을 고정하기 위한 스톱퍼;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 X-선 형광분석기를 갖는 드론 장치.
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