KR102219789B1 - 보상형 기계적 테스트 시스템 - Google Patents

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워렌 올리버
수드하샨 파니 파다사라디
마이클 피 드레이크
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나노메카닉스, 인크.
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Abstract

기계적 테스트 시스템은 프레임 및 샘플을 유지하는 스테이지를 구비한다. 아암이 툴을 샘플의 표면에 대고 압박한다. 주 액추에이터가 프레임에 연결되어, 주 힘을 인가하여 툴을 샘플 내로 압박하며, 이에 의해 프레임의 굴곡을 야기한다. 변위 센서가 변위 값을 측정하며, 이 변위 값은 두 가지 성분으로 이루어진다. 그 제1 성분은 주 힘이 인가될 때에 상기 샘플 내로 프로브가 이동한 거리를 포함하며, 제2 성분은 주 힘이 인가될 때에 프레임의 굴곡 정도의 크기를 포함한다. 보상 액추에이터가 프레임에 연결되어, 변위 값의 제2 성분을 감소시키는 보상 힘을 인가한다.

Description

보상형 기계적 테스트 시스템
본 발명은 재료의 기계적 테스트 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 샘플의 기계적 특성의 보상 측정에 관한 것이다.
재료의 기계적 테스트는, 힘을 재료의 샘플에 인가하고 그 재료의 초래되는 변위를 측정하는 것을 수반하거나, 대안적으로는 그 샘플에 변위를 인가하고 그 변위를 달성하는 데에 필요한 힘을 측정하는 것을 수반한다. 어느 경우든, 샘플의 형상 변화가 그러한 실험에서 중요한 파라미터이다.
형상 변화는 재료의 하나의 부분에 있어서의 다른 부분에 대한 변위에 의해 측정된다. 통상, 이는, 샘플 상의 기준점의 위치를, 그 기준점에서 샘플을 클램핑하는 등에 의해 고정시키고, 샘플에 힘을 인가하고, 그리고 기준점에 대한 샘플 상의 테스트 지점의 운동을 측정함으로써 달성된다. 본 발명은 그 기준점을 기능한 한 이동 불가능하게 유지하기 위한 것이다. 하지만, 기준점은 클램핑 시스템이 무한히 견고하지 않다면, 이동할 것이다. 기준점이 고정되어 있다는 가정에 기초하여 측정이 이루어지는 경우, 그렇지 않다면 변위 측정에 오차가 도입된다.
이 개념이 적용되는 구체적인 예가 압입 테스트(indentation testing)이다. 압입은 경도의 측정에 흔히 이용되는 기계적 테스트이다. 이는, 테스트 샘플의 표면에 접촉한 프로브의 팁을 통해 기지의 힘을 기지의 시간 동안 인가하고 남은 자국의 촬영에 의해 초래된 압입부의 표면적을 측정함으로써 수행된다. 인가된 힘을 그 면적으로 나눔으로써 샘플의 경도가 얻어진다. 샘플의 다른 물리적 특성은 힘이 인가될 때에 수집된 데이터로부터 계산될 수 있다.
하지만, 예를 들면 경질 표면에 보다 작은 하중이 인가될수록, 프로브 팁은 보다 작은 압입부를 형성한다. 소정 시점에는 그러한 작은 압입부를 측정하기 위해 요구되는 촬영 기법이 번갈아가면서 제한 인자 또는 비용 결정 인자로 될 수 있다. 따라서, 몇몇 시스템에서는 힘이 인가되고 있는 동안의 측정된 변위 신호와, 팁의 기지의 기하학적 형상이 압입부의 면적을 계산하는 데에 이용되고 있으며, 이는 압입부의 촬영의 필요성을 제거한다. 이는, 특히 보다 작은 길이 스케일에서 전통적 경도 측정에 비해 수많은 이점을 갖는 계장화 압입(instrumented indentation) 분야를 위한 기초를 형성한다. 게다가, 힘을 인가하면서 변위를 측정하는 것은 경도 외에도 탄성 계수를 결정하는 데에 이용될 수 있는 접촉 강성(contact stiffness)의 계산을 가능하게 한다.
앞서 언급한 바와 같이, 변위 센서에 의해 측정되는 변위는 두 가지 성분을 포함한다. 제1 성분은 샘플 내로 팁의 변위로, 주 관심 대상이다. 제2 성분은 로드 프레임(load frame)으로도 지칭되는 테스트 프레임의 변위 또는 굴곡이다. 몇몇 로드 프레임의 경우, 특히 보다 높은 하중에, 그 제2 성분은 현저해 질 수 있고, 샘플 특성의 측정에 악영향을 미칠 것이다.
이론적으로, 시스템이 무한한 강성을 갖는 로드 프레임을 구비하도록 설계된다면, 변위 센서에 의해 측정되는 변위에 대한 로드 프레임의 기여도는 제로이며, 매우 정밀한 계장화 압입 테스트가 얻어질 것이다. 하지만, 로드 프레임이 무한한 강성을 갖게 시스템을 설계하는 것은, 그러한 시스템에 통상 포함되는 많은 수의 구성 요소 및 그 구성 요소들이 나타내는 의도적인 고유의 강성 결여를 감안하면, 기껏해야 도전에 불과하다.
필요로 하는 것은 전술한 것 등의 문제를 적어도 부분적으로 감소시킨 시스템이다.
상기한 필요성은 물론 기타 필요성은, 프레임 및 샘플을 유지하는 스테이지를 갖는 기계적 테스트 시스템에 의해 충족된다. 아암이 툴을 샘플의 표면에 대고 압박한다. 주 액추에이터가 프레임에 연결되어, 주 힘(primary force)을 인가하여 툴을 샘플 내로 압입(driving)하며, 이에 의해 프레임의 굴곡을 야기한다. 변위 센서가 변위 값을 측정하며, 이 변위 값은 두 가지 성분으로 이루어진다. 그 제1 성분은 주 힘이 인가될 때에 샘플 내로 툴이 이동한 거리를 포함하며, 제2 성분은 주 힘이 인가될 때에 프레임의 굴곡 정도의 크기를 포함한다. 보상 액추에이터가 프레임에 연결되어, 변위 값의 제2 성분을 감소시키는 보상 힘을 인가한다.
본 발명의 이 양태에 따른 다양한 실시예에서, 보상 액추에이터는 프레임 상의 상이한 위치에 배치된 복수의 보상 액추에이터를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 보상 액추에이터는 스테이지에 있어서의 주 액추에이터와는 반대측에 배치된다. 몇몇 실시예에서, 주 액추에이터는 전자기식, 정전식, 압전식, 유압식, 기계식 및 공압식 중 적어도 하나이다. 몇몇 실시예에서, 보상 액추에이터는 전자기식, 정전식, 압전식, 유압식, 기계식 및 공압식 중 적어도 하나이다. 몇몇 실시예에서, 변위 센서는 변위를 측정하도록 커패시터와 레이저 중 적어도 하나를 이용한다. 몇몇 실시예에서, 보상 힘은 변위 값의 제2 성분을 완전히 소거한다. 몇몇 실시예에서, 보상 힘은 프레임의 겉보기 강성(apparent stiffness)을 미터당 약 천만 뉴턴으로 보정한다.
본 발명의 다른 양태에 따른 다양한 실시예에서, 프레임에 의해 지지된 스테이지 상에 테스트 대상 샘플을 배치함으로써 샘플의 경도 및 탄성 계수 중 적어도 하나를 테스트하는 방법을 개시하며, 프레임에 의해 지지된 주 액추에이터가 주 힘을 인가하여 툴을 샘플의 표면 내로 압입(driving)하며, 이에 의해 프레임의 굴곡을 야기한다. 변위 센서에 의해 변위 값을 측정한다. 그 변위 값은 두 가지 성분으로 이루어지며, 그 제1 성분은 주 힘이 인가될 때에 샘플 내로 툴이 이동한 거리를 포함하며, 제2 성분은 주 힘이 인가될 때에 프레임의 굴곡의 크기를 포함한다. 프레임에 연결된 보상 액추에이터에 의해 변위 값의 제2 성분을 감소시키는 보상 힘을 인가한다.
본 발명의 다른 이점들은 도면과 함께 고려할 때 상세한 설명을 참조함으로써 명백해질 것이며, 그 도면은 세부 사항을 보다 명확하게 나타내기 위해 축척대로 도시하진 않았으며, 동일 도면 부호는 다수의 도면에 걸쳐 동일 요소를 가리킨다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기계적 테스트 시스템의 개략도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기계적 테스트 시스템 상의 보상 액추에이터의 상이한 위치들을 도시한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 변위 센서에서의 기준점과 샘플 상의 지점 간의 일정한(제로 또는 비제로) 상대 변위를 하나 이상의 보상 액추에이터를 이용하여 유지함으로써 무한한 강성에 근사한 로드 프레임 강성이 달성된다. 이는 아래에서 설명하는 바와 같은 방식으로 달성된다.
이하, 도면을 참조하면, 기계적 테스트 시스템(100)의 다양한 실시예가 도시되어 있다. 기계적 테스트 시스템(100)은 이 테스터(100)의 다양한 구성 요소들이 장착되는 로드 프레임(102)을 구비한다. 예를 들면, 샘플(112)은 프로브(108) 아래에 샘플의 다양한 부분들을 위치 설정하는 데에 유용한 스테이지(113) 상에 등에서 테스터(100) 상에 배치된다. 프로브(108)의 단부에는 힘을 가하지 않는 안착 상태에서 샘플(112)의 상면과 접촉하게 배치되는 팁(110)이 마련되고, 그 팁(110)의 위치가 변위 센서(106) 등에 의해 측정된다. 이는 기계적 특성 측정을 위한 기준선 위치이다.
주 액추에이터(104)가 프로브(108)를 샘플(112)을 향해 아래쪽으로 하강시켜 팁(110)을 샘플(112)의 표면 내로 압입함으로써 샘플(112)에 하중을 인가하기 시작한다. 이를 행하기 위해 요구되는 힘의 크기는 샘플(112)의 경도 및 침투 깊이에 따라 달라진다. 힘이 주 액추에이터(104)에 의해 인가되고 있는 동안에, 변위 센서(106)가 기준선으로부터 프로브(108)가 이동한 거리를 측정한다. 변위 센서(106)는 예를 들면 가변 커패시터 또는 레이저를 이용하는 등에 의해 변위를 측정할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 변위 센서(106)에 의해 측정된 이동의 일부는, 팁(110)의 침투에 대한 샘플(112)의 저항으로 인해 발생하는 프레임(102)의 굴곡에 기인한다. 프레임(102)이 굴곡되는 정도는, 프레임(102)의 구조 및 인가된 힘 등의 다수의 다양한 인자에 좌우되며, 어느 정도로 또는 사실상 모든 기계적 테스트 시스템에 존재한다.
프레임(102)의 굴곡에 추가하여, 시스템(100)의 다른 구성 요소들도 굴곡 또는 압축될 수 있어, 전적으로 샘플(112) 내로의 팁(110)의 침투에 의한 것만이 고려되지 않은 거리를 측정하는 변위 센서(106)에 의해 발생하게 되는 겉보기 오차를 더욱 가중시킬 수 있다.
시스템(100)에서 그러한 인자들을 보상하기 위해, 하나 이상의 보상 액추에이터(114)가 로드 프레임(102)의 회로 내의 몇몇 곳에 배치된다. 보상 액추에이터(114)의 용도는 주 액추에이터(104)에 의해 인가되는 힘과는 반대 방향으로 보상 힘을 인가하여, 변위 센서(106)에 의해 측정되는 거리가 팁(110)이 샘플(112)의 표면 내로 침투한 실제 깊이를 정확하게 반영되도록 한다. 도 2는 질량체(mass), 스프링 및 대시포트를 이용하는 시스템(100)의 하나의 구성의 개략도를 도시한다.
보상 액추에이터(114)에 의해 가해질 필요가 있는 힘의 크기는 적어도 부분적으로 기계적 테스트 시스템(100)의 구조에 의존하여 다르다. 필요한 보상 힘의 크기는 주어진 장비에 대해 경험적으로, 이론적으로 또는 이들 둘의 조합 등의 다양한 방식으로 결정되어, 그 장비(100)의 운영 프로그래밍에 기록될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 보상 액추에이터 또는 액추에이터들(114)에 의해 인가되는 보상 힘은 주 액추에이터(104)에 의해 인가되는 힘에 따라 달라진다. 다른 실시예에서, 보상 액추에이터 또는 액추에이터들(114)에 의해 인가되는 보상 힘은 주 액추에이터(104)에 의해 인가되는 힘과는 무관하게 비교적 균일하다.
설치 시에 대부분의 기계적 테스트 시스템(100)은 대략 미터당 1 내지 2백만 뉴턴 정도의 고유 강성을 갖는 프레임(102)을 구비한다. 본 명세서에서 설명하는 장치 및 방법을 이용하여, 프레임(102)은 미터당 약 천만 뉴턴 또는 그 이상의 겉보기 강성을 갖도록 보상될 수 있다. 하지만, 대부분의 용례에서, 미터당 약 천만 뉴턴 정도로의 보상이, 경도 및 기타 기계적 특성 계산에서의 오차를 비교적 무시할 만한 수준으로 감소시키는 데에 충분하다.
주 액추에이터(104)와 보상 액추에이터(114)는 전자기식, 정전식, 압전식, 유압식, 기계식, 공압식 등일 수 있다. 시스템(100)의 한 가지 가능한 구성의 개략도가 도 1에 도시되어 있다. 주 액추에이터(104), 전자기식 보상 액추에이터(114), 변위 센서(106), 로드 프레임(102), 팁(110) 및 샘플(112)이 도시되어 있다. 보상 힘은 주 액추에이터(104)에 대해 동기 또는 비동기식으로 정적 또는 동적으로 인가될 수 있다.
본 발명에 대한 실시예의 전술한 설명은 예시 및 설명을 위해 제시한 것이다. 철저히 규명한다거나 본 발명을 개시한 바로 그 형태로 제한하고자 하는 것은 아니다. 명백한 수정 및 변형이 전술한 교시의 견지에서 이루어질 수 있다. 그 실시예들은 본 발명의 원리와 그 실질적 용례의 예시를 제공하여 당업자가 본 발명을 다양한 실시예로 그리고 고려되는 특정 용도에 적합한 다양한 수정예로 이용할 수 있게 하기 위한 일환으로 선택하여 설명하였다. 그러한 모든 수정예 및 변형예는 이들이 공정하고, 합법적이며, 정당하게 자격이 있는 범위에 따라 해석될 때, 첨부된 청구 범위에 의해 결정되는 본 발명의 범위 내에 있다.

Claims (20)

  1. 기계적 테스트 시스템으로서:
    프레임;
    샘플을 유지하는 스테이지;
    상기 샘플의 표면 내로 압입되어 상기 샘플의 표면에 압입부(indentation)을 형성하도록 구성된 팁을 갖는 프로브;
    상기 프레임에 연결되어, 주 힘(primary force)을 상기 프로브에 인가함으로써 상기 팁을 상기 샘플의 표면 내로 압박하도록 된 주 액추에이터(primary actuator);
    변위 값을 측정하는 변위 센서로서, 상기 변위 값은 상기 주 힘이 인가될 때에 상기 샘플에 대해 상기 프로브가 이동한 거리를 포함하는 것인 변위 센서; 및
    상기 프레임에 연결되어, 상기 변위 센서에서의 기준점과 상기 샘플 상의 지점 간의 일정한 상대 변위를 유지하는 보상 힘을 인가하도록 된 하나 이상의 보상 액추에이터
    를 포함하고,
    상기 보상 힘은 상기 주 액추에이터에 의해 인가되는 주 힘에 따라 달라지는 것인, 기계적 테스트 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 보상 액추에이터는 상기 프레임 상의 상이한 위치에 배치된 복수의 보상 액추에이터를 포함하는 것인 기계적 테스트 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 보상 액추에이터는 상기 스테이지에 있어서의 상기 주 액추에이터와는 반대측에 배치되는 것인 기계적 테스트 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 주 액추에이터는 전자기식, 정전식, 압전식, 유압식, 기계식 및 공압식 중 적어도 하나인 것인 기계적 테스트 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 보상 액추에이터는 전자기식, 정전식, 압전식, 유압식, 기계식 및 공압식 중 적어도 하나인 것인 기계적 테스트 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 변위 센서는 변위를 측정하도록 커패시터와 레이저 중 적어도 하나를 이용하는 것인 기계적 테스트 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 보상 힘은 상기 프레임의 겉보기 강성(apparent stiffness)을 미터 당 천만 뉴턴으로 보정하는 것인 기계적 테스트 시스템.
  8. 기계적 테스트 시스템으로서:
    프레임;
    샘플을 유지하는 스테이지;
    상기 샘플의 표면 내로 압입되어 상기 샘플의 표면에 압입부을 형성하도록 구성된 팁을 갖는 프로브;
    상기 프레임에 연결되어, 주 힘을 상기 프로브에 인가함으로써 상기 팁을 상기 샘플의 표면 내로 압박하도록 된 주 액추에이터로서, 전자기식, 정전식, 압전식, 유압식, 기계식 및 공압식 중 적어도 하나인 것인 주 액추에이터;
    변위 값을 측정하는 변위 센서로서, 상기 변위 값은 상기 주 힘이 인가될 때에 상기 샘플 내로 상기 프로브가 이동한 거리를 포함하는 것인 변위 센서; 및
    상기 프레임에 연결되어, 상기 변위 센서에서의 기준점과 상기 샘플 상의 지점 간의 일정한 상대 변위를 유지하는 보상 힘을 인가하도록 된 복수의 보상 액추에이터
    를 포함하며, 상기 보상 힘은 상기 프레임의 겉보기 강성을 미터 당 천만 뉴턴으로 보정하고, 상기 보상 힘은 상기 주 액추에이터에 의해 인가되는 주 힘에 따라 달라지는 것인, 기계적 테스트 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 보상 액추에이터는 전자기식, 정전식, 압전식, 유압식, 기계식 및 공압식 중 적어도 하나인 것인 기계적 테스트 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 변위 센서는 변위를 측정하도록 커패시터와 레이저 중 적어도 하나를 이용하는 것인 기계적 테스트 시스템.
  11. 샘플의 경도 및 탄성 계수 중 적어도 하나를 테스트하는 방법으로서:
    테스트 대상 샘플을 프레임에 지지된 스테이지 상에 배치하는 단계;
    상기 프레임에 의해 지지된 주 액추에이터를 이용하여 주 힘을 인가하여 툴을 상기 샘플의 표면 내로 압입하는 단계;
    상기 프레임에 의해 지지된 보상 액추에이터로 보상 힘을 인가하면서 변위 센서로 변위 값을 측정하는 단계로서, 상기 보상 힘은 상기 변위 센서에서의 기준점과 상기 샘플 상의 지점 간의 일정한 상대 변위를 유지하는 것인 단계; 및
    상기 변위 값을 이용하여 상기 샘플의 경도 및 탄성 계수 중 적어도 하나를 계산하는 단계
    를 포함하고,
    상기 보상 힘은 상기 주 액추에이터에 의해 인가되는 주 힘에 따라 달라지는 것인, 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 보상 액추에이터는 상기 프레임 상의 상이한 위치에 배치된 복수의 보상 액추에이터를 포함하는 것인 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 보상 액추에이터는 상기 스테이지에 있어서의 상기 주 액추에이터와는 반대측에 배치되는 것인 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 주 액추에이터는 전자기식, 정전식, 압전식, 유압식, 기계식 및 공압식 중 적어도 하나인 것인 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 보상 액추에이터는 전자기식, 정전식, 압전식, 유압식, 기계식 및 공압식 중 적어도 하나인 것인 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 변위 센서는 변위를 측정하도록 커패시터와 레이저 중 적어도 하나를 이용하는 것인 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 보상 힘은 상기 프레임의 겉보기 강성을 미터 당 천만 뉴턴으로 보정하는 것인 방법.
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