KR102082657B1 - 경도 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 측정 물질을 압착하는 압침과 상기 압침이 상기 측정 물질에 가하는 힘을 측정하는 힘센서를 포함하는 압착부, 상기 압침의 선단부를 중심으로 일정 거리 이격되어 배치되는 1개 이상의 접촉 센서 및 상기 접촉 센서가 상기 측정 물질과의 접촉을 감지하였을 때, 상기 힘 센서의 힘 값을 읽어 상기 측정 물질의 경도를 도출하는 컨트롤러를 포함하는 경도 측정 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 경도 측정 장치는 상기 접촉 센서를 지지하기 위한 접촉부 및 상기 접촉부와 상기 압착부 사이의 수평 거리를 조절하는 거리 조절부를 더 포함하여 측정 물질의 예상 경도에 따라 수평 거리를 조절함으로써 힘 센서의 고감도 구동 영역 내에서 경도 측정을 수행할 수 있다.

Description

경도 측정장치{Apparatus for Stiffness Measurement}

본 발명은 경도 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 접촉하는 물체에 일정한 크기의 압축 변위를 만들기 위해 필요한 압축 힘을 측정하여 연성이 있는 물질의 경도를 측정 가능한 경도 측정장치에 관한 것이다.

직물, 가죽, 고무 및 고분자와 같은 탄성이 있는 물질은 우리 생활의 여러 분야에서 사용되고 있다. 특히 피부 또는 근조직의 경도 및 탄성은 우리 몸의 노화나 건강 상태에 대하여 다양한 정보를 나타낸다. 따라서 의료 및 미용 분야에서는 탄성 물질뿐 아니라, 피부와 조직의 경도를 측정할 필요가 있다. 또한, 최근 로봇 기술의 발전으로 의수, 의료용 로봇의 손에 적용되는 촉각 센서의 일부로 이용하기 위하여 소형화, 고집적화가 가능한 경도 측정장치에 대한 필요가 존재한다.

이러한 탄성이 있는 물질은 탄성변형을 측정함으로써 경도를 측정할 수 있다. 즉, 압축된 거리에 비례하는 복원력을 측정하여 경도 값을 도출해내는 것이다. 따라서, 종래의 경도 측정장치들은 대부분 측정 물질이 압축되는 거리를 측정하기 위한 변위센서를 요구한다. 별도의 변위센서를 필요로 하는 경도 측정장치는 소형화 및 고집적화가 어렵다. 따라서 변위센서를 가속도 센서로 대체하려는 시도가 있었으나, 미소변위에 대한 가속도 센서의 출력신호 대비 노이즈 값이 매우 커 정확한 변위를 산출할 수 없어 경도 측정 시 오차가 발생하였다.

또한, 복원력을 측정하기 위한 힘 센서 또는 압력 센서는 측정되는 힘 또는 압력 값이 포화(saturation)되는 문턱값이 존재하여, 문턱값 이상의 힘이 인가되는 경우 측정되는 경도의 민감도가 감소되는 문제가 존재한다. 경도가 낮은 물질을 측정하기 위하여 낮은 힘 값에서 측정을 할 경우 힘 센서 또는 압력 센서에 발생하는 노이즈로 인하여 마찬가지로 정확한 경도를 도출할 수 없다. 따라서 서로 다른 경도를 갖는 물질을 측정하기 위하여 각각의 경우에 적합한 센서를 구비한 경도 측정장치가 요구되었다.

따라서, 소형화, 고집적화 되어 의수, 의료용 로봇 등에 사용 가능하며 다양한 물질들의 경도를 측정할 수 있는 경도 측정장치가 요구된다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 힘 센서를 포함하는 압착부와 접촉 센서를 포함하는 접촉부들을 구비함으로써 다양한 경도를 가진 물질들의 경도 값을 정밀하게 측정할 수 있는 경도 측정장치를 제공하는데 있다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 측정 물질을 압착하는 압침과 상기 압침이 상기 측정 물질에 가하는 힘을 측정하는 힘 센서를 포함하는 압착부, 상기 압침의 선단부를 중심으로 일정 거리 이격되어 배치되는 1개 이상의 접촉 센서 및 상기 접촉 센서가 상기 측정 물질과의 접촉을 감지하였을 때, 상기 힘 센서의 힘 값을 읽어 상기 측정 물질의 경도를 도출하는 컨트롤러를 포함하는 경도 측정 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따라 경도 측정 장치는 상기 접촉 센서를 지지하기 위한 접촉부 및 상기 접촉부와 상기 압착부 사이의 수평 거리를 조절하는 거리 조절부를 더 포함할 수 있다.

이 때 상기 접촉부는 상기 압착부를 중심으로 동일한 수평 거리에 대칭적으로 2개 이상 배치될 수 있으며, 2개 이상의 접촉부가 배치될 경우 상기 접촉부가 상기 측정 물질에 접촉하는 순간 상기 힘 센서가 측정한 각각의 힘 값으로부터 오차가 최소화된 최종 경도를 도출할 수 있다.

상기 거리 조절부는 상기 측정 물질의 예상 경도가 높을 때 상기 압착부와 상기 접촉부 사이의 수평 거리를 작게 조절하고, 상기 측정 물질의 예상 경도가 낮을 때 상기 압착부와 상기 접촉부 사이의 수평 거리를 크게 조절하여 힘 센서의 고감도 구동 영역 내에서 힘 값을 측정하여 보다 민감하게 경도를 측정 가능하다.

본 발명의 다른 실시예에 따라 별도의 접촉부를 구성하지 아니하고, 상기 접촉센서는 상기 압침의 선단부를 중심으로 일정 거리 이격되어 상기 압침의 몸체 표면에 1개 이상 배치될 수 있다.

압침은 측정 물질의 탄성 및 소성 등에 따라 반구형, 원뿔형, 원기둥형, 원통형 및 다각뿔형과 같은 다양한 형태 중 어느 하나를 선택할 수 있다.

상기 압침의 일 단에는 상기 측정 물질의 반발력에 의해 수축되는 탄성체가 부착될 수 있으며, 상기 탄성체는 경도 측정 장치의 주요 사용 용도에 따른 측정 물질의 예상 경도에 따라 다른 탄성 계수를 가지도록 조절할 수 있다.

본 발명은 접촉부의 접촉 센서가 측정 물질에 접촉하는 순간 압착부의 힘 센서에 인가되는 힘을 측정함으로써 측정 물질이 압착된 거리를 측정하는 별도의 변위 센서 없이도 정밀한 경도 값을 도출할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 접촉 센서를 지지하는 접촉부는 압착부를 중심으로 거리 조절부에 의하여 일정한 수평 거리를 가지고 이격될 수 있다. 힘센서는 낮은 힘 영역에서 발생하는 노이즈 및 문턱값(threshold)을 넘는 높은 힘 영역에서 출력 특성의 포화(saturation)에 의한 정확도 감소 문제가 존재한다. 접촉부와 압착부 사이의 수평 거리를 조절함으로써 접촉부가 측정물질과 접촉 시 측정되는 힘을 조절할 수 있으며, 따라서 필요한 경우 거리 조절부를 조절하여 정확한 힘이 측정 가능한 센서 동작 범위 내에서 경도 값을 측정 가능하다.

일 실시예에서 상기 접촉부는 압착부를 중심으로 일정 거리 이격되어 2개 이상이 대칭적으로 배치될 수도 있다. 경도 측정장치가 휴대용으로 제작되거나 소형으로 제작될 경우 측정 물질 상에 접촉시켜 가압할 때 측정 물질의 표면으로부터 수직인 방향과 일정한 각을 이루며 접촉할 수 있다. 각 접촉부가 측정 물질의 표면에 접촉하는 순간의 경도 값의 평균을 이용하여 비틀림에 의한 오차를 최소화한 최종 경도 값을 도출할 수 있다.

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치를 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치의 구성요소를 도시하는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치의 측정 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 힘 센서의 구동 영역을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치를 도시하는 단면도이다.
도 6은 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치의 측정 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 압착부와 접촉부의 수평 거리 조절에 따른 경도 차이를 도시하는 그래프이다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하 도면상의 동일한 구성 요소에 대하여는 동일한 참조 부호를 사용하고, 동일한 구성 요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

실시예 1

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치를 도시하는 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치는 측정 물질과 접촉하는 표면에 접촉 센서(11)를 포함하는 접촉부(10), 상기 접촉부(10)의 단부에서 수직으로 일정 높이 돌출되어 상기 측정 물질을 압착하고 상기 측정 물질에 가하는 힘을 측정하는 압착부(20), 상기 접촉부(10)와 상기 압착부(20)의 수평 거리를 조절하는 거리 조절부(30) 및 상기 접촉 센서(11)가 상기 측정 물질과의 접촉을 감지하였을 때, 상기 힘 값을 읽어 상기 측정 물질의 경도를 도출하는 컨트롤러(미도시)를 포함한다.

상기 접촉부(10)는 거리 조절부(30)와 연결되는 지지부(13) 및 지지부(13)와 측정 물질이 접촉하는 접촉면에 형성되는 접촉 센서(11)를 포함한다.

지지부(13)는 압착부(20)가 측정 물질의 표면에 수직으로 도입되는 것을 돕기 위하여 넓은 접촉면을 가질 수 있다.

접촉 센서(11)는 측정 물질과 접촉부(10)의 접촉면의 접촉을 인식하고 신호를 발생할 수 있는 센서로, 공지의 터치 센서를 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들면, 접촉 센서(11)는 저항막(resistive) 방식 접촉 센서, 정전용량(capacitive) 방식 접촉 센서, 적외선(Infra-Red) 방식 접촉센서 및 초음파(surface acoustic wave) 방식 접촉 센서일 수 있다.

선택적으로 접촉 센서(11)는 미세 거리 조절을 위하여 지지부(13) 하부에 형성된 리니어 베어링에 연결될 수 있다. 접촉 센서(11)는 리니어 베어링을 따라 이동하여 압착부(20)와의 수평 거리를 추가적으로 조절할 수 있다.

상기 압착부(20)는 상기 측정 물질에 접촉하여 힘을 인가하는 압침(21), 상기 압침(21)의 일 단에 부착되고 상기 측정 물질의 반발력에 의하여 수축되는 탄성체(23) 및 상기 압침(21), 상기 탄성체(23)에 의하여 상기 측정 물질에 가해지는 힘을 측정하는 힘 센서(25) 및 상기 압침(21), 탄성체(23) 및 힘 센서(25)를 고정하는 보조부(27)를 포함한다.

상기 압침(21)은 상기 접촉부(10)가 상기 측정 물질과 접촉하는 접촉면으로부터 일정 거리(x_i)만큼 돌출될 수 있다. 따라서 접촉부(10)가 아직 측정 물질에 접촉하기 전에 압침(21)은 측정 물질에 접촉하여 힘을 인가하고 측정 물질이 압착되게 된다.

상기 탄성체(23)의 일 단은 압침(21)과 보조부(27) 사이에 선택적으로 배치된다. 상기 탄성체(23)는 탄성력을 갖는 다양한 물질을 사용할 수 있다. 예를 들면 탄성체(23)는 스프링, 고무 및 고분자 화합물일 수 있으며, 경우에 따라 일정한 힘을 갖는 밀폐된 기체를 사용할 수도 있다. 또한 전자기적 장치를 이용하여 반발력을 인가할 수 있는 솔레노이드 등의 장치를 사용할 수도 있다. 탄성체(23)는 압침(21)이 측정 물질을 압착할 때 측정 물질의 복원력에 의하여 수축함으로써 측정 물질이 소성 변형 또는 영구 변형이 일어나지 않도록 한다. 따라서, 탄성체(23)는 측정하고자 하는 물질의 종류에 따라 선택될 수 있다. 측정하고자 하는 물질이 쉽게 소성 변형되는 물질인 경우 탄성체(23)는 매우 약한 탄성 계수를 가져 쉽게 변형되는 물질로 선택될 수 있다.

상기 힘 센서(25)는 상기 압침(21)과 상기 탄성체(23)에 의하여 상기 측정 물질에 가해지는 힘을 측정한다. 따라서, 힘 센서(25)는 상기 압침(21)과 상기 탄성체(23)에 의하여 인가되는 힘을 측정할 수 있는 위치에 형성될 수 있다. 즉 도면에 도시된 것과 같이 힘 센서(25)는 탄성체(23)와 보조부(27)의 사이에 위치할 수도 있지만, 압침(21)과 탄성체(23)의 사이 또는 측정 물질과 접촉하는 압침(21)의 접촉면에 위치할 수도 있다. 상기 힘 센서(25)는 압력 센서로 대체될 수 있다. 압력 센서를 사용 할 때 압력 센서의 접촉 면적 A에 측정된 압력 값 P를 곱하여 힘 값 F로 변환할 수 있다. 상기 힘 센서(25)는 압저항형(Piezoresistive) 힘 센서, 정전용량형(Capacitive) 힘 센서, 광학식 힘 센서, 공진방식 힘 센서 및 전기 유도 방식 힘 센서 중 하나일 수 있다.

상기 압침(21), 상기 탄성체(23) 및 상기 힘 센서(25)를 고정하기 위하여 보조부(27)를 포함할 수 있다. 상기 보조부(27)의 단부는 측정 물질의 표면으로부터 상기 접촉부(10)의 접촉면과 동일한 높이에 있거나, 그보다 더 높이 있을 수 있다. 상기 보조부(27)는 상기 압침(21) 및 상기 탄성체(23)의 외주면을 감싸 상기 압침(21) 및 상기 탄성체(23)가 수직 방향으로 한정된 운동을 하도록 가이드 할 수 있다. 따라서 탄성체(23)가 수평 방향으로 휨으로 인하여 생기는 경도의 오차를 최소화할 수 있다.

상기 거리 조절부(30)는 상기 접촉부(10)와 상기 압착부(20)를 일정한 거리로 이격하여 고정시킨다. 측정 물질에 인가되는 힘이 힘 센서의 적정 구동 영역 내에 위치하도록 상기 접촉부(10)와 상기 압착부(20)의 수평 거리가 조절될 수 있다. 상기 거리 조절부(30)는 정해진 궤도 위를 따라 움직일 수 있는 리니어 베어링을 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 접촉부(10)는 상기 압착부(20)와의 수평 거리 조절을 위하여 리니어 베어링을 이용하여 원하는 위치로 이동 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따라 경도 측정장치는 복수 개의 접촉부(10a, 10b)를 구비할 수 있다.

복수 개의 접촉부(10a, 10b)는 압착부(20)를 중심으로 동일한 수평 거리에 대칭적으로 배치될 수 있다. 즉 접촉부(10)가 2개 일 때 각각의 접촉부(10a, 10b)는 압착부(20)와 동일한 수평 거리만큼 이격 되고, 접촉부들(10a, 10b)와 압착부(20)는 동일한 직선 상에 배치될 수 있다. 접촉부(10)가 3개 이상일 경우, 각각의 접촉부(10)는 상기 압착부(20)로부터 동일한 수평 거리를 갖는 점들이 이루는 원을 동일한 각도로 분할하도록 위치할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치는 각각의 접촉부(10)가 측정 물질의 표면에 접촉하는 순간의 힘으로부터 도출된 경도의 값을 평균하거나 산술적으로 처리하여 경도 측정장치가 측정 물질의 표면에 수직으로 도입되지 않아 생기는 경도의 오차를 최소화할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치의 구성요소를 도시하는 블록도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치는 힘 센서(25)를 포함하는 압착부(20), 제1 접촉센서(11a)를 포함하는 접촉부(10a), 제2 접촉센서(11b)를 포함하는 접촉부(10b) 및 컨트롤러(40)를 포함한다.

컨트롤러(40)는 접촉센서들(11a, 11b)의 접촉 신호 및 힘 센서(25)의 힘 값을 수신하고 경도를 연산하여 송신하는 연산부(41), 경도 측정장치에 전원을 공급하는 전원부(43), 도출된 경도를 출력하는 디스플레이부(45)를 포함한다. 경도 측정장치가 휴대용 장치일 경우 외부 기기로 값을 송신하기 위한 통신모듈(47)을 디스플레이부(45) 대신 포함하거나, 디스플레이부(45)와 함께 포함할 수 있다. 또한, 힘 센서(25)의 힘 측정을 보다 민감하게 하기 위한 증폭기(49)를 더 포함할 수 있다.

제1 접촉센서(11a)가 제1 접촉부(10a)가 측정 물질의 표면에 접촉한 것을 알리는 신호를 발생하면 연산부(41)는 이를 수신하고, 접촉 신호가 발생한 순간의 힘 센서(25)의 제1 힘 값을 저장한다. 저장된 제1 힘 값으로부터 제1 경도를 연산하고 그 값을 저장한다.

제2 접촉센서(11b)가 제2 접촉부(10b)가 측정 물질의 표면에 접촉한 것을 알리는 신호를 발생하면 연산부(41)는 동일하게 힘 센서(25)로부터 제2 힘 값을 수신 받아 저장하고, 이로부터 제2 경도를 연산한다.

선택적으로, 상기 연산부(41)는 상기 경도 값들을 기초로 하여 거리 조절부를 조절하여 압착부(20)와 접촉부(10) 사이의 수평 거리가 적절한 거리를 갖도록 할 수 있다.

제1 경도와 제2 경도의 값을 평균하여 압착부(20)가 측정 물질의 표면에 수직하게 도입되지 않음으로 생기는 오차를 최소화한 최종 경도를 도출할 수 있다. 연산부(41)는 최종 경도를 디스플레이부(45) 또는 통신모듈(47)로 송신한다.

디스플레이부(45) 또는 통신모듈(47)은 수신한 최종 경도 값을 디스플레이 또는 외부 기기로 출력할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치의 측정 방법을 설명하기 위한 개략도이다.

도 3을 참조하면, 상기 접촉 센서(11)가 측정 물질(50)의 표면에 접촉할 때, 상기 압착부(20)의 돌출된 압침(21)에 의하여 측정 물질(50)이 일정 깊이 압입된 것을 확인할 수 있다.

측정 물질(50)이 압착됨에 따라 측정 물질(50)의 표면이 만드는 굴곡, 즉 압침의 중심부로부터 d 만큼 떨어진 측정 물질(50) 표면과 압착되기 전의 원래 표면과의 수직 거리 u(d,0)는 다음의 식을 통하여 계산할 수 있다.

(식 1)

a_압침 : 압침(21)의 반지름

h : 측정 물질(50)이 압침(21)에 의하여 압착된 깊이

스네든 법칙(Sneddon solution)에 의하면 h는 측정 물질(50)의 고유한 물리적 특성에 의하여 아래와 같이 결정된다.

(식 2)

P : 측정 물질(50)에 가해진 압력

ν : 측정 물질(50)의 푸와송 비(Poisson ratio)

E : 측정 물질(50)의 영의 계수(Young's modulus)

상기 식의 ν는 푸와송 비(Poisson ratio)로, 재료가 인장력의 작용에 따라 그 방향으로 늘어날 때 수직 방향 변형도와 수평 방향 변형도 사이의 비율을 나타낸다. 상기 식의 E는 영의 계수로 측정 물질(50)에서 일어나는 변형과 힘 사이의 관계를 나타내는 탄성 계수이다.

식 2에 힘과 영률에 관한 일반 식인 아래의 식을 적용하여, 접촉 센서(11)가 측정 물질(50)과 접촉하는 위치의 깊이 u(d_접촉센서,0)를 계산할 수 있다.

(식 3)

압침(21)이 측정 물질(50)의 압착에 의한 반발력과 평형을 이루는 상태에서는, 압침(21)은 초기 돌출 길이 x_i에서 탄성체(23)가 압축된 거리 x_탄성체를 뺀 길이만큼 접촉 센서(11)가 위치한 접촉부(10)의 표면으로부터 돌출되어 있다. 따라서 압침(21)에 의하여 측정 물질(50)이 압착된 깊이 h는 접촉 센서(11)의 깊이 u(d_접촉센서,0)와 다음의 관계를 가진다.

(식 4)

훅의 법칙(Hook's law)와 뉴턴의 제3법칙에 따라, 압침(21)을 누르는 탄성체(23)의 힘과 과 측정 물질(50)의 압착에 의한 반발력은 다음과 같은 관계로 근사할 수 있다.

(식 5)

식 3, 식 4 및 식 5를 h에 대하여 정리하면 하기의 식과 같이 표현할 수 있다.

(식 6)

F_힘센서 : 접촉 센서(11)가 접촉하였을 때 힘 센서(25)가 측정한 힘 값

x_i : 압침(21)이 측정 물질(50)과 접촉하기 전의 초기 돌출 길이

a_압침 : 압침(21)의 반지름

d_접촉센서 : 접촉부(10)가 압착부(20)의 중심점으로부터 수평으로 이격된 수평 거리

k_탄성체 : 탄성체(23)의 탄성계수

k_{물질(부분)} : 측정물질(50)의 압착 지점의 탄성계수

식 6을 k_{물질(부분)}에 대하여 정리하면, 측정 물질(50)의 경도를 하기의 식과 같이 계산할 수 있다.

(식 7)

따라서 상기 식을 이용하여 접촉 센서(11)로부터 접촉 신호가 발생하였을 때의 힘 센서(25)가 측정한 힘(F_힘센서)으로부터 측정물질의 압착 부위의 부분 경도를 도출해낼 수 있다.

상술한 식 1 및 식 2는 압침(21)이 원통형일 때 적용되는 식으로, 압침(21)은 원뿔, 반구형, 원통형 및 다각뿔형 등 다양항 형태를 가질 수 있으며, 이러한 경우 식 1 및 식 2는 적절하게 변형되어 측정물질의 경도를 도출할 수 있다.

식 7에서 도출한 측정 물질의 부분 경도를 통하여 측정 물질의 영률 및 물질의 전체 경도를 도출할 수 있다.

(식 8)

힘과 압력의 관계는 식 8과 같이 나타낼 수 있다. A는 힘이 가해진 면적으로, 본 경도 측정 시스템에서는 압침(21)의 반지름(a)을 통해 산출할 수 있다.

식 8을 식 3에 대입하여 하기의 식을 유도할 수 있다.

(식 9)

식 7의 k_{물질(부분)}을 이용하여 h의 값을 얻을 수 있다. 따라서 도출된 h 값을 식 9에 적용하면 측정 물질의 영률을 계산할 수 있다. 스네든 법칙은 측정 물질이 반 무한 구체일 경우를 가정하나, 측정 물질의 두께가 3 cm 이상인 경우 적용 가능하다. 일반적인 물질들에서 푸와송 비(ν)는 0 내지 0.5의 값을 가지며, 본 발명에서는 계산의 편의성을 위하여 (1-ν²)을 0.8 내지 0.9 사이의 값으로 고정하여 적용할 수 있다.

(식 10)

A_물질 : 측정 물질의 전체 면적

T : 측정 물질의 두께

식 9를 통해 도출된 영률을 대입하여 물질 전체의 경도 k_{물질(전체)}를 도출할 수 있다.

도 4는 힘 센서의 구동 영역을 설명하기 위한 그래프이다.

도 4를 참조하면, 현재 이용되고 있는 힘 센서들은 대부분 그래프와 같이 고감도 구동 영역을 갖는다. 고감도 구동 영역이란 가해지는 힘에 의하여 센서 출력이 민감하게 변화하는 영역으로, 그래프 상에서 높은 기울기를 갖는 영역이다.

힘 센서에 가해지는 힘이 너무 낮을 경우 힘 센서의 노이즈로 인하여 적절한 출력을 나타낼 수 없다. 또한, 힘 센서에 가해지는 힘이 너무 높은 경우, 힘 센서의 출력 값이 포화 그래프를 나타내므로 힘의 증가를 민감하게 측정할 수 없다.

본 발명에서는 압착부(20)와 접촉부(10)의 수평 거리를 조절함으로써 힘 센서의 고감도 구동 영역 내에서 측정 물질의 경도를 측정할 수 있다.

상기 식 7을 F_힘센서에 대하여 정리하면 다음과 같다.

(식 11)

arcsin(a/d_접촉센서)는 d접촉센서의 크기가 커질수록 감소하고, 작아질수록 급격하게 증가한다. 따라서, 측정 물질의 경도가 높은 경우 압착부(20)와 접촉부(10)의 수평 거리가 가깝도록 조절하고, 측정물질의 경도가 낮은 경우 압착부(20)와 접촉부(10)의 수평 거리가 멀도록 조절함으로써 힘 센서의 적정 구동 영역 내에서 경도를 측정할 수 있다.

실시예 2

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 경도 측정장치는 접촉센서(11)를 지지하기 위한 접촉부를 별도로 설치하지 아니하고, 압침(21)의 선단부를 중심으로 일정 거리 이격된 압침의 몸체에 접촉센서(11)를 직접 설치한다. 이러한 구조는 경도 측정장치의 소형화에 적합하다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치를 도시하는 단면도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치는 측정 물질을 압착하는 압침(21)과 상기 압침(21)이 상기 측정 물질에 가하는 힘을 측정하는 힘센서(25)를 포함하는 압착부(20), 상기 압침(21)의 선단부를 중심으로 일정 거리 이격되어 배치되는 1개 이상의 접촉 센서(11) 및 상기 접촉 센서(11)가 상기 측정 물질과의 접촉을 감지하였을 때, 상기 힘 센서(25)의 힘 값을 읽어 상기 측정 물질의 경도를 도출하는 컨트롤러(미도시)를 포함한다. 이 때 상기 접촉 센서(11)는 압침(21)의 선단부를 중심으로 압침(21)의 몸체에 1개 이상이 배치될 수 있다.

이 때 압침(21)의 몸체는 반구 형태를 비롯하여 측정 물질의 경도 및 소성 정도에 따라 원기둥형, 원뿔형 및 다각뿔형의 다양한 형태를 적용할 수 있다.

또한, 압침(21)의 일 단에는 선택적으로 경도를 알고 있는 탄성체(23)가 구비될 수 있다. 탄성체(23)는 압침(21)이 측정 물질에 힘을 인가할 때 측정 물질의 반발력으로 인하여 압축될 수 있다.

상기 힘 센서(25)는 상기 압침(21)과 보조부(27)의 사이 또는 상기 압침(21)의 선단부에 배치될 수 있다.

도 6은 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치의 측정 방법을 설명하기 위한 개략도이다.

헤르츠의 법칙(Hertzian solution)에 따르면, 반구 형태의 압침(21)을 채용하는 경우, 압침(21)과 접촉하는 측정 물질 표면의 변위는 하기 수식으로 표현할 수 있다.

(식 12)

a : 압침(21)과 측정 물질(50)이 접촉하는 면의 반지름

h : r=0인 점에서 물질의 변위

경도 측정 장치가 측정 물질에 도입되어 접촉 센서(11)가 측정 물질(50)과 접촉할 때, 측정 물질(50)과 압침(21)이 접촉하는 면의 반지름(a)은 d_접촉센서가 된다.

따라서, 접촉 센서(11)가 접촉 신호를 발생 시킬 때 압침(21)에 의한 측정 물질(50)의 변위 u(r)은 아래와 같이 표현할 수 있다.

(식 13)

따라서, 접촉 센서(11)의 위치(r=d_접촉센서)에서 측정 물질(50)의 변위는 h/2이며, 압침(21)의 선단부와 접촉 센서(11)의 수직 거리 차이(x_i)는 하기의 식으로 나타낼 수 있다.

(식 14)

압침(21)에 의하여 변형된 측정 물질의 변위(x_물질)은 압침(21)의 반구 형태를 고려할 때 아래와 같이 근사할 수 있다.

(식 15)

훅의 법칙에 따라 힘 센서서 감지하는 힘 F_힘센서와 측정 물질의 경도는 아래의 관계를 가진다.

(식 16)

식 14와 식 16을 h에 대하여 정리하면 하기의 식으로 나타낼 수 있다.

(식 17)

상술한 바와 같이 식 17은 압침(21)이 반구 형태일 때의 경도 도출 방법을 나타내며, 압침(21)의 형태에 따라 식 12 내지 식 15는 적절하게 변형되어 적용될 수 있다.

실험예

본 발명의 경도 측정원리를 시험하기 위하여 압착부 양 측에 일정한 수평 거리를 가지고 이격된 대칭적인 접촉부 쌍을 가지는 경도 측정장치를 제작하였다. 수평 거리를 조절하기 위한 거리 조절부로는 접촉 센서를 부착할 수 있는 조립식 모듈을 사용하였다. 상기 조립식 모듈을 이용하여 수평 거리를 6 mm 및 20 mm로 조절 하였다. 압착부에 삽입되는 탄성체로는 스프링 상수가 각각 2.1 N/mm 및 0.4 N/mm로 알려져 있는 2개의 스프링을 교대로 사용하여 측정하였다. 압침의 반지름은 5 mm이고, 접촉부로부터 압침이 돌출된 길이는 3 mm이다.

서로 다른 경도를 가진 것으로 알려진 스폰지, 고무, 블랙폼, 블루폼 및 피부를 수평 거리 및 스프링의 스프링 상수를 바꾸어 3가지 조건에서 각각 측정하였다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 압착부와 접촉부의 수평 거리 조절에 따른 경도 차이를 도시하는 그래프이다.

도 7을 참조하면, 도 7a에서 압착부와 접촉부의 수평 거리가 6 mm로 작고, 스프링 상수가 2.1 N/mm인 경우, 5가지 물질의 경도 차이가 크게 나타나지 않는 반면, 스프링 상수가 동일하게 2.1 N/mm이고, 압착부와 접촉부의 수평 거리가 20 mm로 증가한 도 7b에서 각 물질 사이의 경도 차이가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

도 7c에서 압착부와 접촉부의 수평 거리를20 mm로 유지하고 스프링 상수를 0.4 N/mm로 감소시키자 스프링 상수에 비하여 비교적 높은 경도를 가진 고무, 블랙 폼 및 블루 폼의 경도 차이는 줄어든 반면, 스펀지와 고무 사이의 경도 차이가 큰 폭으로 증가한 것을 확인할 수 있었다. 따라서 주로 측정하게 되는 물질의 경도에 따라 스프링 상수를 결정하여 민감도를 향상시킬 수 있다.

13 : 지지부 20 : 압착부
21 : 압침 23 : 탄성체
25 : 힘 센서 27 : 보조부
30 : 거리 조절부 40 : 컨트롤러
43 : 전원부 45 : 디스플레이부
47 : 통신모듈 49 : 증폭기
50 : 측정 물질

Claims (8)

1. 측정 물질과 접촉하는 선단부를 포함하고 측정 물질을 압착하는 압침과, 상기 압침이 상기 측정 물질에 가하는 힘을 측정하는 힘센서를 포함하는 압착부;
   상기 압침의 몸체 표면에 배치되고 상기 압침의 선단부를 중심으로 일정 거리 이격되어 배치되는 1개 이상의 접촉 센서; 및
   상기 접촉 센서가 상기 측정 물질과의 접촉을 감지하였을 때, 상기 힘센서의 힘 값을 읽어 상기 측정 물질의 경도를 도출하는 컨트롤러를 포함하고,
   상기 압침의 선단부는 상기 접촉 센서에 비해 상기 측정 물질 방향으로 돌출된 경도 측정 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 접촉 센서와 상기 압침의 선단부 사이의 수평 거리를 조절하는 거리 조절부를 더 포함하는 경도 측정 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 접촉 센서는 상기 압침의 선단부를 중심으로 동일한 수평 거리에 대칭적으로 2개 이상 배치되고,
   상기 접촉 센서가 상기 측정 물질에 접촉하는 순간 상기 힘센서가 측정한 각각의 힘 값으로부터 오차가 최소화된 최종 경도를 도출하는 경도 측정 장치.
4. 제2항에 있어서,
   상기 거리 조절부는 상기 측정 물질의 예상 경도가 높을 때 상기 압침의 선단부와 상기 접촉 센서 사이의 수평 거리를 작게 조절하고,
   상기 측정 물질의 예상 경도가 낮을 때 상기 압침의 선단부와 상기 접촉 센서 사이의 수평 거리를 크게 조절하는 경도 측정 장치.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 압침은 반구형, 원뿔형, 및 다각뿔형 중 어느 하나의 형태를 가지는 경도 측정 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 압침의 일 단에는 상기 측정 물질의 반발력에 의해 수축되는 탄성체가 부착되는 경도 측정 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 탄성체는 측정 물질의 예상 경도에 따라 다른 탄성 계수를 가질 수 있는 경도 측정 장치.

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