KR102498987B1 - 하중 검출 장치 - Google Patents

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KR102498987B1
KR102498987B1 KR1020220097680A KR20220097680A KR102498987B1 KR 102498987 B1 KR102498987 B1 KR 102498987B1 KR 1020220097680 A KR1020220097680 A KR 1020220097680A KR 20220097680 A KR20220097680 A KR 20220097680A KR 102498987 B1 KR102498987 B1 KR 102498987B1
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박희구
지장근
안민우
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박희구
지장근
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Abstract

본 발명은 하중 검출 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입력 하중에 대해 큰 변형을 유도할 수 있고, 입력 하중 제거시 빠른 복원 유도가 가능하여 고반응성 실현이 가능할 뿐만 아니라 최대 변형이 발생되는 부위에 변형량 측정센서를 설치할 수 있도록 함으로써 입력 하중 대비 출력을 크게 유도하는 고감도 검출의 실현이 가능한 하중 검출 장치에 관한 것이다.

Description

하중 검출 장치 {Load detection device}
본 발명은 하중 검출 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입력 하중에 대해 큰 변형을 유도할 수 있고, 입력 하중 제거시 빠른 복원 유도가 가능하여 고반응성 실현이 가능할 뿐만 아니라 최대 변형이 발생되는 부위에 변형량 측정센서를 설치할 수 있도록 함으로써 입력 하중 대비 출력을 크게 유도하는 고감도 검출의 실현이 가능한 하중 검출 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 하중 검출 장치는 외부에서 가해지는 하중을 감지하여 이를 전기적인 신호로 변환함으로써 하중을 검출하는 장치로, 무게를 측정하기 위한 전자저울과 같은 일반 생활주변의 사물에서부터 자동차, 선박, 항공, 공업 계측, 자동 제어 등 다양한 산업 분야에서 무게 정보를 필요로 하는 곳에 사용되고 있다.
이러한 하중 검출 장치로는 주로 로드셀이 사용되는데, 상기 로드셀은 통상적으로 외부에서 가해지는 하중의 변화에 비례적으로 변하는 탄성부재와, 탄성부재의 변형량을 측정하여 전기적인 신호로 바꾸어주는 스트레인 게이지(strain gauge) 등의 변형량 측정센서를 포함할 수 있다.
일례로, 대한민국 등록특허공보 제10-1626885호에는 하중 검출 장치가 게재되어 있는데, 그 주요 기술적 구성은 원통형의 주벽부, 해당 주벽부와 동축 상에 관통공이 형성되고 주벽부가 재치되는 재치면 사이에 틈새를 갖고 주벽부의 내주면에 지지되는 원판형의 원판형 부재, 적어도 관통공에 대향하는 측의 형상이 관통공의 내경보다 큰 직경을 갖는 구 형상으로 형성되는 동시에 관통공에 재치되어 검출 대상의 하중이 입력되는 하중 입력부, 및 관통공에 대해 점대칭이 되도록 원판형 부재에 배치되고 하중 입력부에 입력되는 하중에 따른 스트레인을 검출하는 센서를 구비하여, 하중에 의해 변형되는 원판형 부재를 재치면에서 뜬 상태가 되도록 함으로써 하중에 의한 원판형 부재의 변형이 보다 쉽게 이루어지도록 한 것에 기술적 특징이 있으나, 이를 위한 원통형의 주벽부로 인해 전체적인 부피가 커질 수 밖에 없고, 이러한 부피 증가문제를 해결하기 위해서는 검출 가능한 하중의 크기를 줄일 수 밖에 없으므로 경박단소(輕薄短小)가 요구되는 분야에는 적용이 어려운 단점이 있다.
또한, 상기 종래기술은 스트레인을 검출하기 위한 센서의 설치 위치가 다르고, 센서가 설치되는 위치의 원판형 부재의 두께 또한 차이가 있으므로, 상대적으로 두께가 두껍고 변형이 적은 원판형 부재의 외환부에 설치되는 센서의 경우 검출 감도를 높이기가 어렵고, 이러한 단점을 해소하기 위해서는 구조적으로 복잡해질 수 밖에 없는 문제점이 있다.
그리고, 상기 종래기술을 포함한 종래의 하중 검출 장치, 또는 로드셀의 경우 하중에 의해 변형되는 탄성체가 모두 원통형 구조로 이루어져 입력 하중 제거시 복원력이 약하고, 그에 따라 히스테리시스(hysteresis, 이력현상)가 커지게 되어 정밀도가 떨어지는 문제점이 있다.
1. 대한민국 등록특허공보 제10-1626885호(2016. 05. 27. 등록)
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 외부로부터 가해지는 하중에 의해 변형되는 탄성체에 기울기를 부여하여 최대 변형이 발생되는 부위에 변형량 측정센서를 설치할 수 있도록 함으로써 입력 하중에 대해 큰 변형을 유도할 수 있는 고감도 실현이 가능한 하중 검출 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 원뿔 형상으로 형성되는 탄성체로 인해 입력 하중 제거시 빠른 복원 유도가 가능하여 고반응성 실현이 가능할 뿐만 아니라 히스테리시스(hysteresis) 특성이 우수한 하중 검출 장치를 제공함에 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은,
중심부에 관통공이 형성되고 가해지는 하중에 비례하여 변형하는 탄성체와, 상기 탄성체에 구비되어 탄성체의 변형량을 측정하는 센서부를 포함하는 하중 검출 장치에 있어서, 상기 탄성체의 외측 가장자리 하단에 고정 설치되는 링 형상의 지지부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 탄성체의 외측에 설치되는 중공 형상의 하우징과, 상기 하우징의 상단부와 하단부에 각각 결합되어 탄성체의 상단과 지지부재의 하단을 각각 지지하는 상부커버와 하부커버를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예는,
중심부에 관통공이 형성되고 가해지는 하중에 비례하여 변형하는 탄성체와, 상기 탄성체에 구비되어 탄성체의 변형량을 측정하는 센서부를 포함하는 하중 검출 장치에 있어서, 상기 탄성체는 중심부를 기준으로 하여 가장자리 방향으로 하향 기울기를 갖도록 형성된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 관통공은 상광하협의 테이퍼진 형상으로 형성되고, 상기 탄성체의 두께는 일정하게 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센서부는 관통공의 주변에 위치되는 탄성체의 하면에 설치된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 탄성체의 기울기는 탄성체에 최대 허용하중이 가해지는 경우 변형에 의해 탄성체의 기울기가 0이 되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 관통공의 상부에는 외부로부터 가해지는 하중을 탄성체로 전달하기 위한 하중전달부재가 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탄성체의 하부를 지지하는 링 형상의 지지부재를 더 포함하고, 상기 지지부재의 외측 단부에는 탄성체의 외측면을 지지하기 위한 단턱부가 돌출 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 외부로부터 가해지는 하중에 의해 변형되는 탄성체에 기울기를 부여하여 최대 변형이 발생되는 부위에 변형량 측정센서를 설치할 수 있도록 함으로써 단순한 구성에 의해 입력 하중에 대해 큰 변형을 유도할 수 있는 고감도 실현이 가능하다는 뛰어난 효과를 갖는다.
또한, 본 발명에 따르면 뿔 형상으로 형성되는 탄성체로 인해 입력 하중에 대한 높은 탄성력을 유도할 수 있고, 그로 인해 입력 하중 제거시 빠른 복원 유도가 가능하여 고반응성 실현이 가능할 뿐만 아니라, 입력 하중 대 출력이 직선적인 히스테리시스(hysteresis) 특성을 향상시킬 수 있는 효과를 추가로 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 하중 검출 장치의 일실시예를 나타낸 정단면도.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명을 보다 구체적으로 나타낸 정단면도.
도 3은 본 발명에 따른 하중 검출 장치의 다른 실시예를 나타낸 정단면도.
도 4는 도 3에 나타낸 본 발명의 저면도.
도 5의 (a) ~ (c)는 도 3에 나타낸 본 발명에 포함될 수 있는 하중전달부재의 다양한 실시예를 나타낸 도면.
도 6은 도 4에 나타낸 스트레인 게이지로 구성하는 휘트스톤 브리지 회로를 개략적으로 나타낸 도면.
도 7은 도 3에 나타낸 본 발명의 실시예를 보다 구체적으로 나타낸 분리 사시도.
도 8은 도 7에 나타낸 본 발명의 결합상태를 나타낸 정단면도.
이하, 첨부된 도면들을 참고로 하여 본 발명에 따른 하중 검출 장치의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 하중 검출 장치의 일실시예를 나타낸 정단면도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 본 발명을 보다 구체적으로 나타낸 정단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 하중 검출 장치의 다른 실시예를 나타낸 정단면도이고, 도 4는 도 3에 나타낸 본 발명의 저면도이며, 도 5의 (a) ~ (c)는 도 3에 나타낸 본 발명에 포함될 수 있는 하중전달부재의 다양한 실시예를 나타낸 도면이고, 도 6은 도 4에 나타낸 스트레인 게이지로 구성하는 휘트스톤 브리지 회로를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 7은 도 3에 나타낸 본 발명의 실시예를 보다 구체적으로 나타낸 분리 사시도이고, 도 8은 도 7에 나타낸 본 발명의 결합상태를 나타낸 정단면도이다.
본 발명은 입력 하중에 대해 큰 변형을 유도할 수 있고, 입력 하중 제거시 빠른 복원 유도가 가능하여 고반응성 실현이 가능할 뿐만 아니라 최대 변형이 발생되는 부위에 변형량 측정센서를 설치할 수 있도록 함으로써 입력 하중 대비 출력을 크게 유도하는 고감도 검출의 실현이 가능한 하중 검출 장치(100,100')에 관한 것으로, 그 구성은 도 1에 나타낸 바와 같이, 탄성체(110), 센서부(120) 및 지지부재(130)를 포함할 수 있다.
먼저, 상기 탄성체(110)는 외부에서 가해지는 하중의 크기에 비례적으로 변형되는 구성으로, 그 중심부에는 상,하 방향으로 관통되는 관통공(112)이 형성되어 있다.
상기 탄성체(110)는 통상적으로 그 횡단면이 원형을 이루는 원통 형상으로 이루어지지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 횡단면이 사각형 또는 다각형을 이루도록 형성될 수도 있다.
상기 탄성체(110)의 상면(114), 보다 상세하게는 상기 탄성체(110)의 상면(114)에 위치되는 관통공(112)의 주변 영역은 검출하고자 하는 하중이 가해지는 수압면으로서의 역할을 할 수 있으며, 탄성체(110)의 하면(116)에는 후술할 센서부(120)와 지지부재(130)가 설치될 수 있다.
다음, 상기 센서부(120)는 하중에 의해 변형되는 탄성체(110)의 변형량을 측정하여 전기적인 신호로 변환시키기 위한 구성으로, 탄성체(110)의 변형량에 비례하여 전기적인 신호를 출력시킴으로써 탄성체(110)에 가해지는 하중의 크기를 측정할 수 있다.
이때, 상기 센서부(120)는 입력되는 하중에 의한 변형량이 가장 큰 탄성체(110)의 관통공(112) 주변에 위치되는 탄성체(110) 하면(116)에 설치될 수 있는데, 이에 대한 보다 상세한 설명은 후술하기로 한다.
다음, 상기 지지부재(130)는 외부로부터 가해지는 하중에 의해 탄성체(110)가 변형될 수 있는 공간을 형성시킬 수 있도록 하기 위한 구성으로, 탄성체(110)의 외측 가장자리 하단, 즉 탄성체(110)의 최외곽 하면(116)에 고정 설치될 수 있다.
즉, 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 지지부재(130)에 의해 탄성체(110)의 외측 가장자리 하단이 지지될 경우, 지지부재(130)와 맞닿지 않는 탄성체(110)의 하면(116)은 바닥으로부터 지지부재(130)의 높이 만큼 이격된 상태가 되므로, 탄성체(110)의 상면(114)으로부터 하중이 가해지는 경우 센서부(120)가 부착되는 관통공(112) 주변의 탄성체(110) 하면(116)에는 최대 변형이 발생될 수 있다.
이때, 상기 탄성체(110)의 변형량은 지지부재(130)의 높이를 초과할 수 없으므로, 상기 지지부재(130)의 높이는 탄성체(110)에 최대 허용하중이 가해지는 경우의 탄성체(110)의 변형량 즉, 탄성체(110) 하면(116) 관통공(112) 주변의 처짐량 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 하중 검출 장치(100)는 상기 탄성체(110)와 센서부(120) 및 지지부재(130)의 결합체를 내측에 수용시키기 위한 케이싱 구조를 더 포함할 수 있는데, 이러한 케이싱 구조는 하중이 가해지는 경우 탄성체(110) 가장자리 부분의 움직임 또는 변형을 제한함으로써 센서부(120)가 설치되는 부분, 즉 탄성체(110)의 관통공(112) 주변의 처짐량이 커지도록 유도하는 역할을 할 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 상기 케이싱 구조는 도 2에 나타낸 바와 같이, 하우징(140), 상부커버(150) 및 하부커버(160)를 포함할 수 있는데, 먼저, 상기 하우징(140)은 탄성체(110)의 외측면을 지지하기 위한 구성으로, 탄성체(110)의 외측면을 감싸도록 결합되는 중공의 파이프 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 상부커버(150)는 탄성체(110)의 상면(114) 상부에 위치되도록 하여 하우징(140)의 상단부에 결합되는 구성으로, 그 중심부에는 탄성체(110)에 형성된 관통공(112) 보다 큰 직경을 갖는 제1관통공(152)이 형성될 수 있다.
즉, 상기 제1관통공(152)에 의해 탄성체(110)의 중심부 일부가 외부로 노출될 수 있는데, 상기 제1관통공(152)이 형성된 부분에는 후술할 하중전달부재(180)가 설치되어 외부로부터 가해지는 하중이 보다 정확히 탄성체(110)에 전달될 수 있도록 할 수 있다.
다음, 상기 하부커버(160)는 하우징(140)의 하단부에 결합되어 지지부재(130)의 하단을 지지하는 역할을 하는 것으로, 마찬가지로 하부커버(160)의 중심부에는 제2관통공(162)이 형성되어 케이싱 구조에 의한 하중 검출 장치(100)의 전체적인 중량 증가를 최소화할 수 있도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 하부커버(160)의 일측 가장자리에는 배선홈(164)이 형성될 수 있는데, 상기 배선홈(164)은 탄성체(110)의 하면(116)에 설치되는 센서부(120)와 연결되는 전선이 설치될 수 있도록 하기 위한 구성으로, 상기 하우징(140)의 일측에는 센서부(120)의 구동을 위한 전원 등이 내측에 설치될 수 있도록 하는 커버부재(170)가 결합될 수 있고, 상기 커버부재(170)의 내측에 위치되는 하우징(140)에는 상기 배선홈(164)과 연통되는 관통홀(142)이 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 하중 검출 장치(100')의 다른 실시예에 의하면, 탄성체(110')는 중심부를 기준으로 하여 가장자리 방향으로 하향 기울기를 갖는 형상으로 형성될 수 있는데, 이는 하중 검출 장치(100')의 고감도 검출 및 고반응성 실현이 가능하도록 하기 위함이다.
보다 상세히 설명하면, 하중 검출 장치(100')는 도 3에 나타낸 바와 같이, 탄성체(110')와 센서부(120')를 포함할 수 있는데, 상기 탄성체(110')는 중심부를 기준으로 하여 가장자리 방향으로 하향 기울기를 갖는 뿔 형상으로 형성될 수 있다.
즉, 중심부에 관통공(112')이 형성된 탄성체(110')에 입력 하중이 가해지는 경우 하향 기울기에 의해 형성되는 탄성체(110') 중심부와 가장자리 사이의 높이 차에 해당하는 변위 범위 내에서 하중에 따른 처짐 변위가 발생될 수 있으므로, 입력 하중에 대해 큰 변형을 유도할 수 있고, 그에 따라 입력하중에 대한 센서부(120')의 고감도 실현이 가능하다.
또한, 하향 기울기에 의해 탄성체(110')가 뿔 형상으로 형성되는 경우, 종래의 평판 형상의 탄성체(110')에 비해 높은 탄성력에 의해 입력 하중 제거시 빠른 복원 유도가 가능하여 탄성체(110')의 고반응성을 실현할 수 있고, 그에 따라 종래에 비해 우수한 히스테리시스 특성을 보일 수 있다.
이때, 상기 탄성체(110')의 중심부에 형성되는 관통공(112')은 상광하협의 테이퍼진 형상으로 형성될 수 있는데, 이는 탄성체(110')의 중심 방향, 즉 반경 방향으로의 두께가 일정하도록 함으로써 입력 하중에 대한 탄성체(110')의 변형, 특히 센서부(120')가 설치되는 관통공(112') 주변의 탄성체(110') 하면(116')에서의 변형이 입력 하중의 크기에 비례하여 발생될 수 있도록 하기 위함이다.
또한, 중심으로부터 가장자리 방향으로 하향 기울기를 갖는 형태의 탄성체(110')의 관통공(112')이 상,하 방향으로 동일한 직경을 갖도록 형성되는 경우에는, 후술할 쐐기형 하중전달부재(180c), 즉 하중전달부재(180)의 일부가 관통공(112')의 내측으로 삽입되는 형상의 하중전달부재(180)에 의해 탄성체(110')의 변형이 제한될 수 있어 정확한 하중의 검출이 어려울 수 있으므로, 뿔 형상의 탄성체(110')에 형성되는 관통공(112')은 상광하협의 형상으로 형성시키는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 탄성체(110')의 두께, 즉 탄성체(110')의 반경 방향 폭은 일정하게 형성될 수 있는데, 이는 탄성체(110')에 형성되는 기울기를 최적으로 형성시킬 수 있도록 하기 위함이다.
즉, 상기 탄성체(110')에 형성되는 기울기, 즉 중심부를 기준으로 하여 가장자리 방향으로 형성되는 하향 기울기는 탄성체(110')가 가지고 있는 물리적 특성과, 하중 검출 장치(100')가 검출할 수 있는 최대 허용하중을 고려하여 결정될 수 있는데, 이는 탄성체(110')의 기울기가 입력 하중에 의한 탄성체(110')의 변형량에 비례하기 때문이다.
보다 상세히 설명하면, 상기 탄성체(110')에 형성되는 기울기가 클수록 탄성체(110')의 외측 가장자리 하단부와 센서부(120')가 설치되는 탄성체(110')의 중심부 하면(116'), 즉 관통공(112') 주변의 하면(116') 사이의 높이차가 커지게 되고, 이러한 높이차는 탄성체(110')의 변형 가능한 범위, 즉 입력 하중이 가해지는 경우 탄성체(110')가 변형될 수 있는 처짐량에 해당되므로, 탄성체(110')에 형성되는 기울기를 결정하기 위해서는 입력 하중에 따른 탄성체(110')의 변형량을 정확히 알아야 하고, 이러한 변형량을 정확히 연산할 수 있도록 하기 위해서는 탄성체(110')의 반경 방향 두께가 일정하도록 하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 탄성체(110')의 기울기는 탄성체(110')에 최대 허용하중이 가해지는 경우, 탄성체(110')의 변형에 의해 탄성체(110')의 기울기가 0이 되도록 형성될 수 있다.
즉, 통상적으로 하중 검출 장치에는 검출 가능한 허용하중 범위가 설정되는데, 이러한 허용하중은 탄성체(110')의 항복하중(yield load)을 고려하여 설정될 수 있다.
상기 탄성체(110')의 항복하중은 탄성체(110')의 변형량이 입력 하중에 비례하여 발생되는 최대값을 의미할 수 있는데, 이는 탄성체(110')의 재질, 직경 및 반경방향 두께에 의해 결정될 수 있으므로, 하중 검출 장치(100')의 검출 가능한 허용하중 범위 또한 탄성체(110')의 재질, 직경 및 반경방향 두께에 의해 결정될 수 있다.
또한, 상기 하중 검출 장치(100')에 최대 허용하중, 즉 검출 가능한 최대 크기의 하중이 입력될 때, 상기 관통공(112') 주변의 탄성체(110') 하단 변형량이 탄성체(110')의 기울기에 의해 형성되는 외측 가장자리 하단부와의 높이차에 비해 클 경우에는 입력하중에 대한 높은 탄성력을 유지하기 어렵고, 그에 따라 입력하중의 제거시 빠른 복원을 유도하기가 어려워져 히스테리시스 특성이 저하될 우려가 있다.
따라서, 본 발명에서는 하중 검출 장치(100')의 허용하중이 결정되는 경우, 결정된 허용하중에 따라 탄성체(110')의 두께와 직경 및 최대처짐, 즉 최대 허용하중이 가해지는 경우 관통공(112') 주변 탄성체(110') 하면(116')의 최대처짐을 산정하고, 탄성체(110')에 최대처짐이 발생되는 경우 탄성체(110')의 기울기가 0이 되도록 탄성체(110')의 기울기를 산정함으로써 탄성체(110')가 입력하중에 대해 높은 탄성력을 유지할 수 있고, 입력하중의 제거시 빠른 복원을 유도할 수 있도록 구성될 수 있다.
즉, 상기 하중 검출 장치(100')에 최대 허용하중이 입력되는 경우, 탄성체(110')의 중심부 하면(116')에는 최대처짐이 발생되어 탄성체(110')의 기울기가 0이 되고, 상기 탄성체(110')의 기울기가 0이 되는 경우, 하중 검출 장치(100')의 응답이 정지되도록 하여, 하중 검출 장치(100')에 허용하중 범위 내의 하중이 입력되는 경우에만 탄성체(110')가 기설계된 기울기의 범위 내에서 처짐이 발생되도록 구성될 수 있다.
상기와 같은 탄성체(110')의 기울기는 MATLAB 등의 통상의 FEM(Finite element method; 유한요소법) 해석프로그램을 사용하여 하중 검출 장치(100')의 허용용량에 따라 탄성체(110')의 반경방향 두께와 직경 및 최대처짐을 산정한 후, 산정된 최대처짐에 따라 탄성체(110')의 성형각도, 즉 중심부를 기준으로 한 가장자리 방향으로의 하향 기울기를 산정할 수 있다.
다음, 상기 탄성체(110')의 하면(116'), 즉 입력하중에 의한 최대처짐량이 발생되는 관통공(112') 주변에 위치되는 탄성체(110')의 하면(116')에 설치되는 센서부(120')로는 변형률 측정센서로 주로 사용되는 박막형 스트레인 게이지(Foil Strain Gage)는 물론 FBG(Fiber Bragg Gratings) Sensor, Vibrating wire Sensor, LVDT(Linear variable Differential Transformer) Sensor 등이 사용될 수 있는데, 이하에서는 위 센서들 중 가장 대표적으로 사용되는 박막형 스트레인게이지를 기준으로 하여 설명하기로 한다.
상기 센서부(120')는 도 4에 나타낸 바와 같이, 탄성체(110')의 하면(116')에 반경 방향, 즉 원심 방향으로 설치되는 제1센서(122')와, 원주 방향으로 설치되는 제2센서(124')를 포함할 수 있는데, 상기 탄성체(110')에 입력 하중이 인가되는 경우 원심 방향으로 설치된 제1센서(122')는 압축되어 저항이 작아지고, 원주 방향으로 설치된 제2센서(124')는 인장되어 저항이 커지게 된다.
상기 제1 및 제2센서(122',124')는 하중 검출 장치(100')의 수압면 즉, 하중이 입력되는 부분에서 발생할 수 있는 편심 작용을 최소화하기 위해 90도 간격으로 4개씩 각각 설치할 수 있으며, 편심 작용의 상쇄를 위해 더 많은 방향에 추가적인 제1 및 제2센서(122',124')를 설치할 수도 있다.
상기 제1 및 제2센서(122',124')로 박막형 스트레인게이지를 사용하는 경우, 도 4 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 하중 검출 장치(100')에 하중이 인가되는 경우 저항이 작아지는 제1센서(122', R1, R3)와, 저항이 커지는 제2센서(124', R2, R4)를 서로 마주보도록 4-Active Wheatstone Full Bridge 회로를 구성하여 아래의 (1)식과 같이, 입력하중에 대한 탄성체(110')의 변형에 대해 최대 이득을 얻도록 회로를 구성할 수 있다.
Figure 112022081967144-pat00001
... (1)
이때, R1은 R1'와 R1"를 직렬연결한 것을 의미하고, R2, R3 및 R4 역시 같은 방법으로 직렬 연결한 것을 의미하며, R1 = R1' + R1", R2 = R2' + R2", R3 = R3' + R3" 및 R4 = R4' + R4"와 같이 나타낼 수 있고, VEX와 VO는 각각 Bridge 회로를 동작시키는 인가전압과, 인가전압에 대한 Bridge 회로의 출력전압을 나타내는 것이다.
다음, 상기 탄성체(110')의 상면(114')에 형성되는 관통공(112')의 상부에는 하중전달부재(180)가 구비될 수 있는데, 상기 하중전달부재(180)는 외부로부터 가해지는 하중을 보다 정확히 탄성체(110')로 전달할 수 있도록 하는 역할을 할 수 있다.
즉, 본 실시예에서와 같이, 탄성체(110')가 뿔 형상으로 형성되는 경우 하중이 입력되는 수압면의 형상으로 인해 외부로부터 입력되는 하중이 탄성체(110')로 정확히 전달되지 않을 우려가 있으므로, 상기 관통공(112')의 상부에 수압면을 평평하게 형성시킬 수 있는 형상의 하중전달부재(180)를 설치함으로써 입력되는 하중이 탄성체(110')로 보다 정확하고 원활하게 전달될 수 있도록 구성할 수 있다.
이때, 상기 하중전달부재(180)는 도 5의 (a) ~ (c)에 나타낸 바와 같이, 탄성체(110')의 관통공(112') 상부에 얹혀지는 링 형상(180a)이나 플레이트 형상(180b) 및 상기 관통공(112')의 내측으로 일부가 삽입되는 쐐기 형상(180c) 등으로 형성될 수 있고, 이러한 하중전달부재(180)의 형상은 탄성체(110')에 하중을 가하는 하중 입력 수단의 형상에 따라 달라질 수 있다.
그리고, 상기 탄성체(110')의 하부에는 링 형상의 지지부재(130')가 구비될 수 있는데, 상기 링 형상의 지지부재(130')는 상기 탄성체(110')의 외측 가장자리 하단, 즉 탄성체(110')의 최외곽 하면(116')을 지지하도록 설치될 수 있다.
이때, 상기 지지부재(130')의 외측 단부에는 단턱부(132')가 상향 돌출 형성되어 지지부재(130')가 탄성체(110')의 외측면 하단을 지지하도록 구성될 수 있다.
즉, 탄성체(110')의 상부로부터 하중이 가해지는 경우 상기 지지부재(130')에 형성된 단턱부(132')로 인해 탄성체(110') 외측면 하단이 외측으로 밀리는 것이 방지될 수 있고, 그에 따라 센서부(120')가 부착된 탄성체(110') 하면(116') 중심부에서의 변형이 보다 원활히 이루어질 수 있게 된다.
한편, 본 실시예에서의 하중 검출 장치(100') 또한 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 하우징(140), 상부커버(150) 및 하부커버(160)를 포함하는 케이싱 구조의 내측에 삽입 설치될 수 있으며, 이러한 케이싱 구조는 전술한 실시예와 동일할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
따라서, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 하중 검출 장치(100,100')에 의하면, 외부로부터 가해지는 하중에 의해 변형되는 탄성체(110')에 기울기를 부여하여 최대 변형이 발생되는 부위에 변형량 측정센서를 설치할 수 있도록 함으로써 단순한 구성에 의해 입력 하중에 대해 큰 변형을 유도할 수 있는 고감도 실현이 가능하고, 뿔 형상으로 형성되는 탄성체(110')로 인해 입력 하중에 대한 높은 탄성력을 유도할 수 있으며, 그로 인해 입력 하중 제거시 빠른 복원 유도가 가능하여 고반응성 실현이 가능할 뿐만 아니라, 입력 하중 대 출력이 직선적인 히스테리시스(hysteresis) 특성을 향상시킬 수 있는 등의 다양한 장점을 갖는 것이다.
전술한 실시예들은 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.
본 발명은 하중 검출 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입력 하중에 대해 큰 변형을 유도할 수 있고, 입력 하중 제거시 빠른 복원 유도가 가능하여 고반응성 실현이 가능할 뿐만 아니라 최대 변형이 발생되는 부위에 변형량 측정센서를 설치할 수 있도록 함으로써 입력 하중 대비 출력을 크게 유도하는 고감도 검출의 실현이 가능한 하중 검출 장치에 관한 것이다.
100, 100' : 하중 검출 장치 110, 110' : 탄성체
112, 112' : 관통공 114, 114' : 상면
116, 116' : 하면 120, 120' : 센서부
122' : 제1센서 124' : 제2센서
130, 130' : 지지부재 132' : 단턱부
140 : 하우징 142 : 관통홀
150 : 상부커버 152 : 제1관통공
160 : 하부커버 162 : 제2관통공
164 : 배선홈 170 : 커버부재
180 : 하중전달부재

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 중심부에 관통공이 형성되고 가해지는 하중에 비례하여 변형하는 탄성체와, 상기 탄성체에 구비되어 탄성체의 변형량을 측정하는 센서부를 포함하는 하중 검출 장치에 있어서,
    상기 탄성체는 중심부를 기준으로 하여 가장자리 방향으로 하향 기울기를 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 하중 검출 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 관통공은 상광하협의 테이퍼진 형상으로 형성되고, 상기 탄성체의 두께는 일정하게 형성된 것을 특징으로 하는 하중 검출 장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 탄성체의 기울기는 탄성체에 최대 허용하중이 가해지는 경우 변형에 의해 탄성체의 기울기가 0이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 하중 검출 장치.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 탄성체의 하부를 지지하는 링 형상의 지지부재를 더 포함하고, 상기 지지부재의 외측 단부에는 탄성체의 외측면을 지지하기 위한 단턱부가 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 하중 검출 장치.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 센서부는 관통공의 주변에 위치되는 탄성체의 하면에 설치된 것을 특징으로 하는 하중 검출 장치.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 관통공의 상부에는 외부로부터 가해지는 하중을 탄성체로 전달하기 위한 하중전달부재가 구비된 것을 특징으로 하는 하중 검출 장치.
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