KR102314191B1 - 자기유변탄성체를 이용한 가변형 로드셀 - Google Patents

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KR102314191B1
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오종석
김영춘
정준홍
박진영
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공주대학교 산학협력단
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Abstract

자기유변탄성체를 이용한 가변형 로드셀이 개시된다. 자기유변탄성체를 이용한 가변형 로드셀은, 자기장의 인가 여부에 따라 굳어지거나 물러지는 자기유변탄성체(MRE: Magneto Rheological Elastomer)로 형성된 로드셀 본체, 로드셀 본체에 장착되어 로드셀 본체에 인가된 하중을 측정하는 스트레인 게이지(strain gage), 자기유변탄성체로 기 자기장을 인가하는 전자석 및 전자석의 구동을 제어하는 제어기를 포함한다.

Description

자기유변탄성체를 이용한 가변형 로드셀{Variable load cell using magneto rheological elastomer}
본 발명은 자기유변탄성체를 이용한 가변형 로드셀에 관한 것이다.
일반적으로, 계량 시스템에는 계량을 위한 센서로서 로드셀(load cell)이 사용된다. 로드셀은 하중이 가해지면 가해진 하중의 크기에 비례하는 전기신호를 출력하는 센서로서, 스트레인 게이지(strain gage)식 로드셀이 일반적이다. 여기서, 스트레인 게이지는 금속 탄성체에 부착되어, 금속 탄성체에 하중이 가해졌을 때 금속 탄성체의 변형으로 인한 저항값 변화를 통해 가해진 하중의 크기에 비례한 전기신호를 출력한다. 그리고, 대부분의 로드셀에는, 브릿지 회로가 적용되어 평상시에는 전기적 평형에 의해 미세한 전류가 흐르다가 하중에 의해 어느 한쪽에 불균형이 발생하면 해당 부분으로 전류가 흘러 해당 전류의 흐름이 전압의 변화로 출력된다.
로드셀의 출력신호에 대응하는 정확한 하중값을 산출하기 위하여, 인디케이터(indicator)라는 장치가 이용된다. 이러한 인디케이터는 하중 인디케이터(weighing indicator)와 하중 제어기(weighing controller)로 나눌 수 있다. 이들 모두 로드셀에 공급되는 10V 내외의 정밀한 공급전원과 로드셀에서 출력되는 3~30mV의 미세 신호를 증폭하여 디지털로 변환하는 증폭기 및 ADC(Analog Digital Convertor)가 내장되어 있고, 정확한 하중값을 표시하기 위한 표시부 및 제어부를 포함하며, 비선형 출력을 선형 출력으로 변환하기 위한 캘리브레이션 기능을 구비한다. 여기서, 하중 인디케이터는 주기적으로 계량된 하중값을 표시 및 출력하며, 하중 제어기는 별도의 통신 명령에 따라 하중값의 제공 방식을 변경할 수 있도록 구성될 수 있다.
이와 같은 로드셀은, 기둥형(column type), 환상형(ring type), 휨형(Bending type), 전단형(shear type) 등이 있으며, 복수의 스트레인 게이지가 결합되어, 설정된 방향의 하중을 측정한다. 여기서, 다양한 형태의 각 로드셀은 형태에 따라 하중측정 방향이나 하중 측정구간이 다르다.
즉, 로드셀은 적용되는 계량 시스템의 하중 측정방향, 하중 측정구간 등에 따라 적합한 타입이 선택되어야 한다.
대한민국등록특허공보 제10-1640544호(2016.07.12.)
본 발명은 자기유변탄성체(MRE: Magneto Rheological Elastomer)를 이용하여 다양한 하중 측정구간을 제공하는 자기유변탄성체를 이용한 가변형 로드셀을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 자기유변탄성체를 이용한 가변형 로드셀이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 자기유변탄성체를 이용한 가변형 로드셀은, 자기장의 인가 여부에 따라 굳어지거나 물러지는 자기유변탄성체(MRE: Magneto Rheological Elastomer)로 형성된 로드셀 본체, 상기 로드셀 본체에 장착되어 상기 로드셀 본체에 인가된 하중을 측정하는 스트레인 게이지(strain gage), 상기 자기유변탄성체로 상기 자기장을 인가하는 전자석 및 상기 전자석의 구동을 제어하는 제어기를 포함한다.
상기 로드셀 본체는 상기 자기유변탄성체에 인가되는 자기장의 세기에 비례하여 강도가 변하고, 상기 강도의 변화에 따라 하중 측정구간이 변한다.
상기 가변형 로드셀은, 상기 스트레인 게이지에 의하여 측정된 측정정보를 상기 제어기를 통해 수신하여 출력하고, 사용자가 원하는 하중 측정구간의 정보를 포함하는 측정명령을 상기 사용자로부터 입력받아 상기 제어기로 전송하는 입출력기를 더 포함한다.
상기 하중 측정구간의 정보는 미리 설정된 복수의 하중 측정구간 중 상기 사용자가 원하는 하중 측정구간의 자기장 세기 및 상기 자기장 세기에 상응하는 공급전력에 대한 정보를 포함하되, 상기 제어기는 상기 자기장 세기에 상응하는 공급전력이 상기 전자석에 인가되도록 제어하여 하중 측정구간을 조절한다.
본 발명의 실시예에 따른 자기유변탄성체를 이용한 가변형 로드셀은, 자기유변탄성체(MRE: Magneto Rheological Elastomer)를 이용하여 다양한 하중 측정구간을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자기유변탄성체를 이용한 가변형 로드셀의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자기유변탄성체를 이용한 가변형 로드셀의 형태를 예시하여 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자기유변탄성체를 이용한 가변형 로드셀의 동작방법을 예시하여 나타낸 도면.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자기유변탄성체를 이용한 가변형 로드셀의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자기유변탄성체를 이용한 가변형 로드셀의 형태를 예시하여 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자기유변탄성체를 이용한 가변형 로드셀의 동작방법을 예시하여 나타낸 도면이다. 이하, 도 1을 중심으로, 본 발명의 실시예에 따른 자기유변탄성체를 이용한 가변형 로드셀에 대하여 설명하되, 도 2 및 도 3을 참조하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자기유변탄성체를 이용한 가변형 로드셀은, 로드셀 본체(10), 스트레인 게이지(strain gage)(20), 전자석(30), 제어기(40) 및 입출력기(50)를 포함하여 구성될 수 있다.
로드셀 본체(10)는 자기유변탄성체(MRE: Magneto Rheological Elastomer)로 형성된다.
여기서, 자기유변탄성체는 천연 고무나 실리콘 고무와 같은 폴리머 재료 안에 자성입자가 첨가된 탄성체로서, 자기장의 인가 여부에 따라 굳어지거나 물러진다. 즉, 자기유변탄성체는 물러져 있다가 외부에서 자기장이 가해지면 굳어져 강도가 증가한다.
또한, 자기유변탄성체는 인가되는 자기장의 세기에 비례하여 강도가 변할 수 있다. 이에 따라, 로드셀 본체(10)는 인가되는 중량이나 인장력의 의한 변형의 크기가 달라질 수 있다. 즉, 로드셀 본체(10)의 하중 측정구간은 자기장의 세기에 의하여 변할 수 있다.
스트레인 게이지(20)는 로드셀 본체(10)에 장착되어 로드셀 본체(10)에 인가된 중량이나 인장력을 측정한다.
전자석(30)은 제어기(40)의 제어에 따라 구동하는 경우, 로드셀 본체(10)의 자기유변탄성체에 자기장을 인가하여, 자기유변탄성체가 굳어지게 하여 자기유변탄성체의 강도를 증가시킬 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 자기유변탄성체를 이용한 가변형 로드셀은 도 2에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다. 즉, 도 2를 참조하면, 자기유변탄성체로 형성된 로드셀 본체(10)에는 복수의 스트레인 게이지(20)가 장착되며, 양측에 위치하는 한 쌍의 전자석(30)에 의하여 자기장이 인가될 수 있다.
제어기(40)는 전자석(30)이 로드셀 본체(10)의 자기유변탄성체에 자기장을 인가하도록 전자석(30)을 구동시킨다.
이때, 제어기(40)는 전자석(30)이 발생시키는 자기장의 세기를 조정하기 위하여, 전자석(30)으로 공급되는 전력을 조절할 수 있다.
즉, 도 3을 참조하면, 제어기(40)의하여 전자석(30)으로 공급되는 전력이 조절되면(S1), 전자석(30)이 발생시키는 자기장의 세기가 공급되는 전력에 비례하여 조절되고(S2), 인가된 자기장의 세기에 상응하여 로드셀 본체(10)의 자기유변탄성체의 강도가 변화함으로써(S3), 로드셀 본체(10)의 하중 측정구간이 조절될 수 있다.
예를 들어, 로드셀 본체(10)의 하중 측정구간은 제1 단계 구간(0N ~ 5kN), 제2 단계 구간(100N ~ 10kN), 제3 단계(500N ~ 50kN) 구간, 제4 단계(50kN ~ 10MN) 구간 등의 복수의 구간으로 설정될 수 있다. 즉, 각 하중 측정구간에 상응하는 로드셀 본체(10)의 강도를 가지는 자기장의 세기가 결정될 수 있으며, 결정된 하중 측정구간별 자기장의 세기에 상응하는 공급전력이 설정될 수 있다.
입출력기(50)는 사용자 인터페이스로서, 제어기(40)로부터 출력되는 정보를 출력하고, 사용자의 명령을 입력받을 수 있다.
즉, 입출력기(50)는 스트레인 게이지(20)에 의하여 측정된 측정정보를 제어기(40)를 통해 수신하여 출력할 수 있으며, 사용자가 원하는 하중 측정구간의 정보를 포함하는 측정명령을 사용자로부터 입력받아 제어기(40)로 전송할 수 있다. 여기서, 하중 측정구간의 정보는 미리 설정된 복수의 하중 측정구간 중 어느 하나의 하중 측정구간의 정보로서, 해당 하중 측정구간의 자기장 세기 및 자기장 세기에 상응하는 공급전력에 대한 정보를 포함할 수 있다.
예를 들어, 사용자는 입출력기(50)를 통해 미리 설정된 제1 내지 제4 단계 구간 중 어느 하나를 선택하여 측정명령을 제어기(40)로 전송할 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
10: 로드셀 본체
20: 스트레인 게이지(strain gage)
30: 전자석
40: 제어기
50: 입출력기

Claims (4)

  1. 자기장의 인가 여부에 따라 굳어지거나 물러지는 자기유변탄성체(MRE: Magneto Rheological Elastomer)로 형성된 로드셀 본체;
    상기 로드셀 본체에 장착되어 상기 로드셀 본체에 인가된 하중을 측정하는 스트레인 게이지(strain gage);
    상기 자기유변탄성체로 상기 자기장을 인가하는 전자석;
    상기 전자석의 구동을 제어하는 제어기; 및
    상기 스트레인 게이지에 의하여 측정된 측정정보를 상기 제어기를 통해 수신하여 출력하고, 사용자가 원하는 하중 측정구간의 정보를 포함하는 측정명령을 상기 사용자로부터 입력받아 상기 제어기로 전송하는 입출력기를 포함하는 자기유변탄성체를 이용한 가변형 로드셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 로드셀 본체는,
    상기 자기유변탄성체에 인가되는 자기장의 세기에 비례하여 강도가 변하고,
    상기 강도의 변화에 따라 하중 측정구간이 변하는 것을 특징으로 하는 자기유변탄성체를 이용한 가변형 로드셀.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하중 측정구간의 정보는 미리 설정된 복수의 하중 측정구간 중 상기 사용자가 원하는 하중 측정구간의 자기장 세기 및 상기 자기장 세기에 상응하는 공급전력에 대한 정보를 포함하되,
    상기 제어기는 상기 자기장 세기에 상응하는 공급전력이 상기 전자석에 인가되도록 제어하여 하중 측정구간을 조절하는 것을 특징으로 하는 자기유변탄성체를 이용한 가변형 로드셀.
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