KR102317028B1 - 마찰 측정 장치 - Google Patents

마찰 측정 장치 Download PDF

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KR102317028B1
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양준모
윤동원
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재단법인대구경북과학기술원
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Abstract

본 개시의 일 실시예에 따른 마찰 측정 장치는, 지지 부재, 지지 부재 상부에 배치되며, 외력에 따라 전기저항 값이 변경되는 금속선을 포함하는 복수의 센서 및 복수의 센서의 각각의 금속선을 개별적으로 감싸는 복수의 탄성 부재를 포함하고, 복수의 센서는, 지지 부재의 제1 방향으로 배치되며 지지 부재의 수직 방향으로 요철된 형태를 갖는 제1 금속선을 포함하는 제1 센서 및 제1 방향과 지지 부재의 제2 방향으로 배치되며 지지 부재의 수직 방향으로 요철된 형태를 갖는 제2 금속선을 포함하는 제2 센서를 포함한다.

Description

마찰 측정 장치 {Device for Measuring Friction}
본 개시는 마찰 측정 장치 관한 것으로, 구체적으로는 외력에 따라 전기저항 값이 변경되는 금속선을 포함하며, 금속선의 배치 방향이 상이한 복수의 센서를 이용하여 마찰 계수와 마찰 방향을 측정할 수 있는 마찰 측정 장치에 관한 것이다.
마찰 측정 장치는 마찰 계수를 측정하는 장비로서, 다양한 기술 분야에 이용되는 시료의 마찰 계수를 측정할 수 있는 장치이다.
마찰 측정 장치는 시료를 고정하고 마찰 센서가 상하좌우로 반복하여 이동하며 시편과 접촉하거나 혹은 시편을 상하좌우로 반복하여 이동시켜 고정된 마찰 센서와 접촉하여 마찰 계수를 측정해야했었다. 그러므로, 반복되는 측정에 의하여 측정 시간이 길어질 수 있었고, 또한 시편의 구역 별로 마찰계수 측정하는 경우에는 더 많은 시간이 소요된다는 어려움이 있었다.
또한, 일반적인 마찰 측정 장치는 실험실에서 사용되는 대형 장치로서, 시험 대상 의 시편을 채취하여 실험실로 이동시켜 마찰 계수를 측정해야만 했으며, 소형 장치는 정밀한 마찰 계수를 측정하기에 한계가 있었다. 그리고, 마찰 측정 장치가 측정할 수 있는 시편의 넓이와 부피가 제한적이었기에, 규격된 시편을 채취할 수 없는 경우에는 마찰 계수 및 마찰 방향의 측정에 한계가 존재하였다.
따라서, 본 개시는 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 외력에 따라 전기저항 값이 변경되는 금속선을 포함하며, 금속선의 배치 방향이 상이한 복수의 센서를 이용하여 마찰 계수와 마찰 방향을 측정할 수 있는 마찰 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 마찰 측정 장치는, 지지 부재, 상기 지지 부재 상부에 배치되며, 외력에 따라 전기저항 값이 변경되는 금속선을 포함하는 복수의 센서 및 상기 복수의 센서의 각각의 상기 금속선을 개별적으로 감싸는 복수의 탄성 부재를 포함하고, 상기 복수의 센서는, 상기 지지 부재의 제1 방향으로 배치되며 상기 지지 부재의 수직 방향으로 요철된 형태를 갖는 제1 금속선을 포함하는 제1 센서 및 상기 제1 방향과 다른 상기 지지 부재의 제2 방향으로 배치되며 상기 지지 부재의 수직 방향으로 요철된 형태를 갖는 제2 금속선을 포함하는 제2 센서를 포함한다.
이 경우, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 상호 수직일 수 있다.
이 경우, 상기 복수의 센서는 상기 제1 센서와 상기 제2 센서를 각각 복수로 포함하고, 상기 복수의 센서는 매트릭스 구조로 배열될 수 있다.
이 경우, 상기 복수의 센서는, 상기 매트릭스 구조의 동일한 열 내에서, 상기 복수의 제1 센서만이 배치되거나 또는 상기 복수의 제2 센서만이 배치될 수 있다.
한편, 상기 복수의 센서는, 상기 매트릭스 구조 내에서, 상기 복수의 제1 센서와 상기 복수의 제2 센서가 교번으로 배치되는, 마찰 측정 장치.
한편, 상기 복수의 센서의 상기 금속선은, 반원(semicircle) 형상으로 요철될 수 있다.
한편, 상기 복수의 센서의 상기 금속선은, 적어도 2회 이상 요철될 수 있다.
한편, 상기 복수의 탄성 부재는 상기 복수의 센서의 각각의 상기 금속선을 둘러싸는 돌기 형상을 가지며, 상기 복수의 탄성 부재는 상기 지지 부재의 상부로 전개되며 단면적이 점차 감소할 수 있다.
한편, 상기 탄성 부재는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)의 소프트 리소그래피(Soft Lithography) 공정에 의하여 제작될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 마찰 측정 장치는, 암(arm), 상기 암의 표면에 배치되고, 외력에 따라 전기저항 값이 변경되는 금속선을 포함하는 복수의 센서, 상기 복수의 센서의 각각의 상기 금속선을 감싸는 복수의 탄성 부재, 상기 암을 이동시키는 구동 장치 및 상기 구동 장치를 제어하고, 상기 복수의 센서의 상기 금속선의 전기 저항 값의 변경에 기초하여 상기 복수의 금속선의 변형 정도를 측정하는 프로세서를 포함하고, 상기 복수의 센서는, 상기 지지 부재의 제1 방향으로 배치되며 상기 지지 부재의 수직 방향으로 요철된 형태를 갖는 제1 금속선을 포함하는 제1 센서 및 상기 제1 방향과 상호 수직인 상기 지지 부재의 제2 방향으로 배치되며 상기 지지 부재의 수직 방향으로 요철된 형태를 갖는 제2 금속선을 포함하는 제2 센서를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 복수의 센서는 상기 제1 센서와 상기 제2 센서를 각각 복수로 포함하고, 상기 복수의 센서는 매트릭스 구조로 배열되는, 마찰 측정 장치.
이 경우, 상기 복수의 센서는, 상기 매트릭스 구조의 동일한 열 내에서, 상기 복수의 제1 센서만이 배치되거나 또는 상기 복수의 제2 센서만이 배치될 수 있다.
한편, 상기 복수의 센서는, 상기 매트릭스 구조 내에서, 상기 복수의 제1 센서와 상기 복수의 제2 센서가 교번으로 배치될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예에 따른 마찰 측정 장치는 외력에 따라 전기저항 값이 변경되는 금속선을 포함하며, 금속선의 배치 방향이 상이한 복수의 센서를 이용하여 마찰 측정 장치의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 마찰 측정 장치를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 마찰 측정 장치의 측정 방식 예시로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 마찰 측정 장치를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 마찰 측정 장치를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 마찰 측정 장치를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 마찰 측정 장치의 회로 구조를 나타낸 도면이다.
이하, 본 개시의 실시예들을 첨부된 도 1 내지 도 6을 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 이하 설명되는 실시예들은 본 개시의 기술적인 특징을 이해하기에 가장 적합한 실시예들을 기초로 하여 설명될 것이며, 설명되는 실시예들에 의해 본 개시의 기술적인 특징이 제한되는 것이 아니라, 이하, 설명되는 실시예들과 같이 본 개시가 구현될 수 있다는 것을 예시한다.
따라서, 본 개시는 아래 설명된 실시예들을 통해 본 개시의 기술 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하며, 이러한 변형 실시예는 본 개시의 기술 범위 내에 속한다 할 것이다. 그리고 이하 설명되는 실시예의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면에 기재된 부호에 있어서, 각 실시예에서 동일한 작용을 하는 구성요소 중 관련된 구성요소는 동일 또는 연장 선상의 숫자로 표기하였다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 마찰 측정 장치(100)를 도시한 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 마찰 측정 장치(100)는 지지 부재(110), 센서(150), 탄성 부재(120)를 포함할 수 있다. 도 1은 1개의 센서(150)와 1개의 탄성 부재(120)가 도시되었으나, 본 개시의 마찰 측정 장치(100)는 복수의 센서(150)과 복수의 탄성 부재(120)를 포함할 수 있다.
여기서 마찰 측정 장치(100)는 마찰 계수의 측정이 가능한 센서 장치로, 실험 기기에 부착되거나, 혹은 외부 물질에 부착되어 시료(10)와의 마찰 계수와 마찰 방향을 측정하는데 사용될 수 있다.
지지 부재(110)는 복수의 센서(150)가 일면에 배치되어 복수의 센서(150)와 마찰 계수의 측정 대상의 시료(이하, '시료(10)'로 함)가 접촉 또는 미끄러지는 슬라이딩이 발생할 때, 복수의 센서(150)를 지지하는 역할을 할 수 있다.
지지 부재(110)는 형상과 재질에 제한이 없으며, 지지판, 기둥, 다면체 또는 원형 구 등일 수 있으며, 강성을 지니거나, 혹은 유연성을 가진 탄성 재료일 수도 있다.
지지 부재(110)는 복수의 센서(150)가 배치되는 반대편인 후면에 접착성 물질을 포함하거나, 혹은 결합 부재를 포함하여, 다른 대상에 접착되거나 결합될 수 있다.
복수의 센서(150)는 지지 부재(110)의 상부에 배치될 수 있으며, 외력에 따라 전기저항 값이 변경되는 금속선(155)을 포함할 수 있다.
금속선(155)이 받는 외력은, 시료(10)에 의한 하중 내지 압력 또는 시료(10)와 맞닿은 채로 미끄러지며 발생하는 마찰력일 수 있다. 금속선(155)이 외력에 의하여 눌리거나 비틀리며 형상이 변화하고, 이에 따라 전기적 저항의 값이 변화되어 발생하는 전압 차를 측정함으로서 금속선(155)이 받는 외력을 계산할 수 있다. 계산 방법의 예시는 도 6에서 상세히 후술한다.
본 개시의 금속선(155)을 포함하는 각각의 센서(150)는 금속선(155)의 형상 변화에 의한 전기저항 변화를 측정하는 스트레인 게이지(strain gauge)에 해당할 수 있다. 스트레인 게이지는 전도체 등의 형상 변화에 의한 물리적 변위 또는 전기적 저항 변화를 측정하는 장치이다. 일반적으로는 온도의 변화를 측정하거나 외력으로서 압력, 외부 물체의 하중 등을 측정하며, 로드셀과 같은 장치에 사용될 수 있다.
복수의 센서(150)는 제1 센서(170)와 제2 센서(180)를 포함할 수 있으며, 제1 센서(170)는 지지 부재(110)의 제1 방향으로 배치되며 지지 부재(110)의 수직 방향으로 요철된 형태를 가지고, 제2 센서(180)는 지지 부재(110)의 제2 방향으로 배치되며 지지 부재(110)의 수직 방향으로 요철된 형태를 가질 수 있다.
제1 방향과 제2 방향은 지지 부재(110)의 수평한 평면에서 형성되는 방향으로, 서로 상이할 수 있다. 제1 방향으로 배치된 금속선(155)은 제1 방향에 대응되는 방향으로 마찰 계수를 측정할 수 있고, 제2 방향으로 배치된 금속선(155)은 제2 방향에 대응되는 방향으로 마찰 계수를 측정할 수 있다.
복수의 센서(150) 및 금속선(155)의 구조와 배치, 그리고 전압 변화를 측정하는 방법 등의 내용은 도 2 내지 도 6에서 상세히 후술한다.
복수의 탄성 부재(120)는 복수의 센서(150) 각각의 금속선(155)을 개별적으로 감쌀 수 있다. 탄성 부재(120)는 탄성력을 가진 재료로 이루어진 부재로서, 시료(10)와의 접촉에 의하여 눌리거나 비틀리며 형상이 변화되고, 시료(10)와 접촉이 제거되면 다시 원래의 형상으로 돌아올 수 있다.
탄성 부재(120)의 형상은 금속선(155)의 형상에 의하여 결정될 수 있으며, 탄성 부재(120)는 금속선(155)을 전면으로 감싸는 구조일 수 있으며, 또는 도 1과 같이, 금속선(155)을 둘러싸는 돌기 형상을 통해 외피를 형성할 수도 있다. 돌기 형상의 탄성 부재(120)는 지지 부재(110)의 상부로 전개되며 단면적이 점차 감소 할 수 있다. 시료(10)와의 접촉에 의한 탄성 부재(120)와 금속선(155)의 형상 변화 과정은 도 2를 참조하여 이하에서 설명한다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 마찰 측정 장치(100)의 측정 방식 예시로 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상부의 단면적이 점차 감소하는 돌기 형상을 지닌 탄성 부재(120)에 의하여, 마찰 측정 장치(100)가 시료(10)와 접촉하여 슬라이딩함에 따라 탄성 부재(120)와 금속선(155)이 변형하는 구조와 측정 방식을 예상할 수 있다.
상부의 단면적이 점차 감소하는 돌기 형상을 가짐으로써, 탄성 부재(120)의 상부는 좁은 면적에 의하여 외력에 의하여 변형이 비교적 용이하고, 하부는 넓은 면적에 의하여 외력에 의한 변형이 비교적 어렵기에, 탄성 부재(120)의 변형 정도에 따라 외력의 크기를 예상할 수 있으며, 내부의 금속선(155)이 탄성 부재(120)와 함께 변형하여, 수치적으로 보다 상세히 마찰 계수를 측정할 수 있다.
탄성 부재(120)에 관한 일 실시예로서, 실리콘 외피는, 플라스틱 소재를 이용한 몰드에 실리콘과 경화제를 섞어 굳힘으로서 금속선(155) 전면을 감싸는 실리콘 재질을 가진 외피를 형성할 수 있다.
탄성 부재(120)에 관한 또 다른 실시예로서, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)의 소프트 리소그래피(Soft Lithography) 공정에 의하여, PDMS(Polydimethylsiloxane)와 같이 고분자 유기 규소 화합물을 이용하여 금속선(155) 전면을 감싸는 외피를 형성할 수 있다.
MEMS 방식의 공정에 의하면, 각각의 탄성 부재(120)의 크기를 수십 micro miter 단위까지 줄일 수 있으며, 이에 따라 1개의 마찰 측정 장치(100)에 무수히 많은 센서(150)를 부착할 수 있기에, 더욱 정밀하고 정확한 마찰 계수와 마찰 방향의 측정을 실현할 수 있다.
본 개시에 따른 마찰 측정 장치(100)는 복수의 센서(150)와 이를 감싸는 복수의 탄성 부재(120)에 의하여, 1회 내지 비교적 적은 횟수로 실험을 진행하여도 높은 정확도의 마찰 계수와 마찰 방향을 획득할 수 있으며, 실험에 드는 시간을 최소화할 수 있다.
MEMS 공정에 의한 소형화된 센서(150)와 탄성 부재(120)에 의하여, 시료(10)의 세부 부위에 따른 마찰 계수와 마찰 방향을 측정할 수 있고, 시료(10) 취득에 있어서 크기와 부피, 형상의 제한이 줄어드는 효과를 가질 수 있다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 마찰 측정 장치(100)를 도시한 사시도이다.
도 3을 참조하면, 복수의 센서(160)의 금속선(155)은 반원(semicircle) 형상으로 요철될 수 있다. 한편, 구현시에는 적어도 1회 요청된 '∧' 형태일 수 있으며, 2회 요철된 'ㄷ' 형태일 수 있다. 이이와 같은 형태는 예시에 불과하여 다양한 형상으로 구현될 수 있다. 또한, 구현시에 상술한 금속선은 수회 또는 수십회 반복된 요철 형태를 가질 수 있다.
직선형의 센서(160)는 일 방향으로 반복하여 요철된 금속선(155)을 포함하여, 시료(10)의 그에 대응되는 방향의 마찰 계수를 측정할 수 있다.
상세히는, 금속선(155)은 지지 부재(110)의 상부로 연장되는 직선부와, 직선부에 연결되어 요철되는 요철부를 포함할 수 있다. 이때, 요철부의 형상은 다각형의 하나 이상의 모서리를 포함하는 형상일 수 있으며, 또는 굴곡을 가진 반원, 아치 형상일 수 있다.
각각의 센서(160)의 금속선(155)은 도 1의 센서(150)와 같이 9회 이상 요철되거나, 도 3의 센서(160)와 같이 수회 또는 수십회 이상 요철될 수 있다. 요철부가 반원 형상을 가지고 복수 회 요철됨에 따라, 금속선(155)의 밀집도를 높여, 외력에 의하여 탄성 부재(125)와 금속선(155)이 휘어질 때 형상 변화에 민감한 결과를 얻을 수 있고, 정밀하게 마찰 계수와 마찰 방향을 측정할 수 있다.
탄성 부재(125)는 금속선(155)의 요철 방향과 구조를 고려한 형상을 가질 수 있다. 탄성 부재(125)는 도 3에 도시된 바와 같이 단면이 직육면체 형상을 가질 수 있으며, 또는 도 2에 도시된 바와 같이 삼각형의 단면을 가지며, 금속선(155)의 외면을 도포할 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 마찰 측정 장치(100)를 도시한 사시도이다.
도 4를 참조하면, 제1 방향과 제2 방향은 상호 수직일 수 있다. 또한, 복수의 센서(150)는 제1 센서(170)와 제2 센서(180)를 각각 복수로 포함하고, 복수의 센서(170, 180)는 매트릭스 구조로 배열될 수 있다.
제1 센서(170)와 제2 센서(180)의 제1 방향과 제2 방향을 예로 들면, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 방향은 지지 부재(110) 평면 상의 X 축에 평행한 방향일 수 있으며, 제2 방향은, 지지 부재(110) 평면 상의 X 축에 평행한 Y축에 평행한 방향일 수 있다.
X축 방향과 Y축 방향은 예시적인 방향으로, 제1 센서(170)와 제2 센서(180)는 90도의 각도를 가질 수도 있으며, 90도 이외에 다양한 각도로 배치될 수도 있다. 예를 들면, 제3 센서(미도시)를 추가로 포함하여, 각각의 복수의 센서는 60도의 각도를 가질 수도 있다.
상호 수직한 방향으로 배치된 복수의 센서(170, 180)에 의하여, 본 개시에 의한 일 실시예에 따른 마찰 측정 장치(100)는 시료(10)와 일 방향으로만 슬라이딩하며 실험되어도, 마찰이 작용하는 방향과 방향에 따른 마찰 계수를 한번에 측정할 수 있다.
종래의 마찰 측정 장치는 시료 또는 센서를 평면 내에서 상하좌우로 이동해가며 마찰 방향을 측정해야 했기에, 구동 장치를 포함하는 마찰 측정 장치의 크기가 시료와 센서에 비하여 커질 수 있었으며, 실험 시간도 더 길게 소요되었다.
본 개시에 따른 일 실시예에 따른 마찰 측정 장치(100)는 제1 센서(170)와 제2 센서(180)의 각각의 금속선(155)의 진행 방향을 상이하게 하여 배치함으로서, 일방향으로 적은 횟수의 실험을 통하여도 보다 정확하고 정밀한 값의 마찰 계수와 마찰 방향을 측정할 수 있으며, 구동 장치의 단순화에 의하여 구조 개선의 개선된 효과를 가질 수 있다.
복수의 센서(150)는 매트릭스 구조의 동일한 열 내에서 복수의 제1 센서(170)만이 배치되거나 또는 복수의 제2 센서(180)만이 배치될 수 있다.
예를 들면, 도 4의 XYZ 좌표의 XY 평면 상에 형성된 매트릭스 구조에 있어서, Y좌표가 동일하고 X좌표를 달리하며 배치된 복수의 센서(170, 180)가 동일한 열에 배치된 복수의 센서(170, 180)로 볼 수 있다. 도 4와 같이, 동일한 열에는 복수의 제1 센서(170)만이 배치되거나, 복수의 제2 센서(180)만이 배치됨으로서, 해당 열은 제1 방향 또는 제2 방향에 대응되는 마찰 방향의 마찰 계수를 측정할 수 있다.
그러므로, 도 3의 하나의 금속선(155)이 일 방향으로 계속하여 반복하여 요철된 센서(160)와 비교하면, 본 실시예의 마찰 특정 장치는 복수의 센서(170, 180)의 상하좌우 방향의 유동성이 높으며, 이로 인하여 금속선(155)의 파손 위험이 낮추고 마찰 계수를 세밀한 범위에서 측정할 수 있고, 금속선(155)의 파손에 의한 오류를 발견하기 용이하며, 나아가 금속선(155)의 파손에 의한 교체도 용이해질 수 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 마찰 측정 장치(100)를 도시한 사시도이다.
도 5를 참조하면, 복수의 센서(170, 180)는, 매트릭스 구조 내에서, 복수의 제1 센서(170)와 복수의 제2 센서(180)가 교번으로 배치될 수 있다.
예를 들면, 도 5의 XYZ 좌표의 XY 평면 상에 형성된 매트릭스 구조에 있어서, X축 또는 Y축 방향을 기준으로, 제1 센서(170)와 제2 센서(180)가 교번으로 배치되어, 제1 센서(170)의 XY축 상하좌우로는 제2 센서(180)가 배치되고, 제2 센서(180)의 XY축 상하좌우로는 제1 센서(170)가 배치될 수 있다.
제1 센서(170)와 제2 센서(180)가 교번으로 배치됨에 따라, 시료(10)의 특정 부위를 연속적으로 제1 방향과 제2 방향으로 마찰계수를 측정할 수 있다. 그러므로, 상하좌우 또는 각도를 지닌 방향으로 자유롭게 시료(10) 또는 센서(170, 180)를 이동시켜가며 마찰 계수를 측정할 수 있고, 일부 센서(170, 180)의 파손 또는 오작동에 의한 오차를 최소화할 수 있다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 마찰 측정 장치(100)의 회로 구조를 나타낸 도면이다.
상술한 바와 같이, 본 개시의 센서(150)는 금속선(155)의 변형에 의한 전기저항 값의 변화에 따라 시료(10)의 마찰 계수를 측정할 수 있다. 이에, 전기저항 값의 변화를 측정하는 회로 구조를 예를 들어 설명한다.
도 6을 참고하면, 본 개시의 회로 구조는 휘트스톤 브릿지(wheatstone bridge) 회로를 사용할 수 있다. 여기서, 휘트스톤 브릿지 회로는, 고정된 저항값을 가진 저항과 전압계를 이용하여 미지의 저항값을 측정하는 장치이다.
휘트스톤 브릿지는 미지의 저항값의 미소한 변화값까지 측정할 수 있기에, 본 개시의 센서(150)의 금속선(155)의 저항값 변화를 정밀하게 측정하여, 센서(150)의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 6을 참조하면, 고정된 저항값을 가진 저항 Ri와, 센서(150)의 금속선(155)의 저항 Rs1, Rs2의 회로 구조를 알 수 있다.
휘트스톤 브릿지구조에 있어, 입력전압 Vin에 따른 출력전압 Vout을 계산하는 공식은 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure 112020066325008-pat00001
여기서 Vout은 출력 전압, Vin은 입력 전압, Rs1, Rs2는 금속선 각각의 저항값, Ri는 휘트스톤 브릿지 구조내의 저항의 저항 값이다.
금속선(155)의 변형에 따른 저항 값의 변화를 측정하기 위하여 양 변을 미분하면, 아래와 같이 수학식 2로 정리될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020066325008-pat00002
여기서, dVout은 시간당 출력 전압의 번화율이고, Vin는 입력 전압, Rs1, Rs2는 금속선 각각의 저항값, Ri는 휘트스톤 브릿지 구조내의 저항의 저항 값이다.
저항상수(Gaugefactor) 값을 이용하여 dVout에 의한 센서(150)의 금속선(155)의 저항 Rs1, Rs2의 길이변형률을 수학식 3과 같이 구할 수 있게 된다.
[수학식 3]
Figure 112020066325008-pat00003
여기서, dVout은 시간당 출력 전압의 번화율이고, Gaugefactor(GF)는 금속선에 대응되는 저항 상수, εi는 휘트스톤 브릿지 내의 저항의 길이 번형률, εs1, εs2는 금속선 각각의 길이 번형률이다. 그리고, Ri는 고정된 저항 값으로 변형이 없으므로 εi를 생략할 수 있다.
상술한 수학식 3을 이용하면, 동일하게 제1 방향 또는 제2 방향으로 인접하게 배치된 금속선(155)을 이용하면, 금속선(155)의 길이변형률을 측정할 수 있다
도 6의 회로도와 상기 수학식은 본 개시의 일 실시예에 따른 회로도와 수식으로, 복수의 센서(150)의 배치 구조에 따라 자유롭게 변형될 수 있다.
도면에는 도시되지 않았으나, 본 개시의 일 실시예에 따른 마찰 측정 장치는, 암(arm), 암의 표면에 배치되고, 외력에 따라 전기저항 값이 변경되는 금속선을 포함하는 복수의 센서, 복수의 센서의 각각의 금속선을 감싸는 복수의 탄성 부재, 암을 이동시키는 구동 장치 및 구동 장치를 제어하고, 복수의 센서의 금속선의 전기 저항 값의 변경에 기초하여 복수의 금속선의 변형 정도를 측정하는 프로세서를 포함할 수 있다. 이때의 복수의 센서는 상술한 복수의 센서와 동일할 수 있다.
암(arm)은 마찰 측정 장치의 일부 구성일 수 있으며, 혹은 로봇 시스템의 일부로서 로봇 팔 내지 파지부일 수 있고, 혹은 기타 마찰과 충격을 감지해야 하는 특정 부위일 수 있다.
그러므로, 시험 대상을 규격에 맞게 일부 채취하지 않더라도, 본 개시의 마찰 측정 장치는 센서를 암에 부착하여 구동시킴으로서, 시료 채취에 제약없이 범용적으로 다양한 기술분야의 시료의 마찰 측정에 사용될 수 있다.
또한, 도면에는 도시되지 않았으나, 본 개시의 일 실시예에 따른 마찰 측정 장치는, 지지대, 지지대의 표면에 배치되고, 외력에 따라 전기저항 값이 변경되는 금속선을 포함하는 복수의 센서, 복수의 센서의 각각의 금속선을 감싸는 복수의 탄성 부재, 시료를 파지하는 고정대, 지지대 또는 고정대 중 하나를 이동시키는 구동 장치 및 구동 장치를 제어하고, 복수의 센서의 금속선의 전기 저항 값의 변경에 기초하여 복수의 금속선의 변형 정도를 측정하는 프로세서를 포함할 수 있다. 이때의 복수의 센서는 상술한 복수의 센서와 동일할 수 있다.
그러므로, 실험실에서 쓰이는 대형 또는 소형의 마찰 계수 측정 장치의 센서로 본 개시의 센서를 포함하는 장치가 부착되어 사용될 수 있다.
이상에서는 본 개시의 다양한 실시 예를 각각 개별적으로 설명하였으나, 각 실시 예들은 반드시 단독으로 구현되어야만 하는 것은 아니며, 각 실시 예들의 구성 및 동작은 적어도 하나의 다른 실시 예들과 조합되어 구현될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 개시의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 개시는 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 개시의 요지를 벗어남이 없이 당해 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 개시의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
마찰 측정 장치 100 지지 부재 110
센서 150 금속선 155
제1 센서 170 제2 센서 180

Claims (13)

  1. 지지 부재;
    상기 지지 부재 상부에 배치되며, 외력에 따라 전기저항 값이 변경되는 금속선을 포함하는 복수의 센서; 및
    상기 복수의 센서의 각각의 상기 금속선을 개별적으로 감싸는 복수의 탄성 부재;를 포함하고,
    상기 복수의 센서는,
    상기 지지 부재의 제1 방향으로 배치되며 상기 지지 부재의 수직 방향으로 요철된 형태를 갖는 제1 금속선을 포함하여, 상기 제1 방향에 대응되는 마찰 계수를 측정하는 복수의 제1 센서 및
    상기 제1 방향과 수직한 상기 지지 부재의 제2 방향으로 배치되며 상기 지지 부재의 수직 방향으로 요철된 형태를 갖는 제2 금속선을 포함하여, 상기 제2 방향에 대응되는 마찰 계수를 측정하는 복수의 제2 센서를 포함하고,
    상기 복수의 제1 센서와 상기 복수의 제2 센서는 상호 교번적으로 배치되는, 마찰 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 센서는 매트릭스 구조로 배열되는, 마찰 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 센서는, 상기 매트릭스 구조의 동일한 열 내에서, 상기 복수의 제1 센서만이 배치되거나 또는 상기 복수의 제2 센서만이 배치되는, 마찰 측정 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 센서의 상기 금속선은, 반원(semicircle) 형상으로 요철되는, 마찰 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 센서의 상기 금속선은, 적어도 2회 이상 요철되는, 마찰 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 탄성 부재는 상기 복수의 센서의 각각의 상기 금속선을 둘러싸는 돌기 형상을 가지며,
    상기 복수의 탄성 부재는 상기 지지 부재의 상부로 전개되며 단면적이 점차 감소하는, 마찰 측정 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 탄성 부재는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)의 소프트 리소그래피(Soft Lithography) 공정에 의하여 제작되는, 마찰 측정 장치.
  10. 암(arm);
    상기 암의 표면에 배치되고, 외력에 따라 전기저항 값이 변경되는 금속선을 포함하는 복수의 센서;
    상기 복수의 센서의 각각의 상기 금속선을 감싸는 복수의 탄성 부재;
    상기 암을 이동시키는 구동 장치; 및
    상기 구동 장치를 제어하고, 상기 복수의 센서의 상기 금속선의 전기 저항 값의 변경에 기초하여 상기 복수의 금속선의 변형 정도를 측정하는 프로세서;를 포함하고,
    상기 복수의 센서는,
    상기 암의 표면의 제1 방향으로 배치되며 상기 암의 표면의 수직 방향으로 요철된 형태를 갖는 제1 금속선을 포함하여, 상기 제1 방향에 대응되는 마찰 계수를 측정하는 복수의 제1 센서 및
    상기 제1 방향과 상호 수직인 상기 암의 표면의 제2 방향으로 배치되며 상기 암의 표면의 수직 방향으로 요철된 형태를 갖는 제2 금속선을 포함하여, 상기 제2 방향에 대응되는 마찰 계수를 측정하는 복수의 제2 센서를 포함하고,
    상기 복수의 제1 센서와 상기 복수의 제2 센서는 상호 교번적으로 배치되는, 마찰 측정 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 센서는 매트릭스 구조로 배열되는, 마찰 측정 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 센서는, 상기 매트릭스 구조의 동일한 열 내에서, 상기 복수의 제1 센서만이 배치되거나 또는 상기 복수의 제2 센서만이 배치되는, 마찰 측정 장치
  13. 삭제
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