KR20040047470A - 3축 힘센서를 이용한 스크레치 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3축 힘센서를 이용한 스크레치 측정장치에 관한 것으로, 그 목적은 팁에 발생되는 수직력 및 수평력을 동시에 측정할 수 있는 3축 힘센서를 이용하여 장치를 소형화할 수 있으며, 아울러 탐침봉의 변위 및 가압력을 제어함에 있어서 보다 미세한 힘의 제어가 가능하도록 한 3축 힘센서를 이용한 스크레치 측정장치를 제공함에 있다.

이에 본 발명은 상면으로 시편이 고정되고 수평으로 이송되는 베드와, 상기 베드의 상측에 구비되며 수직으로 승강되는 이송대를 포함하는 스크레치 측정장치에 있어서, 상기 이송대의 하측에 고정되는 3축 힘센서와, 상기 3축 힘센서의 하측에 고정되며 내측으로 원통형의 슬리브가 구비되는 하우징과, 상부가 상기 슬리브의 내측에 삽입되어 수직으로 승강가능하게 고정되는 탐침봉과, 상기 슬리브의 내측에 구비되며 상기 탐침봉의 상단을 탄성지지하는 스프링과, 상기 탐침봉의 하면에 탈,부착 가능하게 고정되는 팁으로 구성된 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 종래와는 달리 제조가 간편하고 경제적일 뿐만 아니라 공간을 효율적으로 이용할 수 있는 효과를 가지며, 아울러 두께가 수 마이크로미터에 달하는 박막의 접착강도등을 측정함에 있어서도 보다 정밀한 측정값을 용이하게 얻을 수 있는 효과를 가진다.

Description

3축 힘센서를 이용한 스크레치 측정장치{A scratch tester using three axis-load cell}

본 발명은 3축 힘센서를 이용한 스크레치 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3방향의 힘 성분(F_x, F_y, F_z)을 동시에 측정할 수 있는 센서를 이용하여, 시편의 표면을 스크레치 테스트 하는 과정에서 보다 간편하고 정확하게 각종 측정값을 검출할 수 있도록 한 스크레치 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로 스크레치 테스트란 반도체 회로기판에 코팅된 박막의 접착강도를 측정하거나, 각종 시편의 마찰력 및 경도등을 측정하기 위한 것으로, 각종 센서가 부착된 탐침봉을 이용하여 측정대상물의 표면을 스크레칭하는 과정을 통해 수직력, 수평력, 음향방사량등의 각종 테이터를 검출한 후 이를 컴퓨터를 통해 변환 및 연산처리하여, 상기한 박막의 접착강도나 마찰력 및 경도등을 효과적으로 측정할 수있는 측정방법의 일종이다.

이에 따라, 종래에도 상기와 같은 스크레치 테스트를 위한 스크레치 측정장치가 출시되어 있으며, 도 6는 종래의 일 예를 보인 요부도이고, 도 7은 도 6에 따라 얻어진 측정값의 일 예를 보인 그래프이다.

도시된 바와 같이, 스크레치 측정장치에는 테스트하고자 하는 시편(T)이 고정되고, 그 상측에는 하단에 팁(20)이 부착된 탐침봉(10)이 구비되는데, 상기 시편(T)은 엑츄에이터(미도시)에 의해 수평방향으로 이송되며, 상기 탐침봉(10)은 수직방향으로 승강되도록 구성되어 있다.

이에 따라, 상기 탐침봉(10)을 하강시켜 팁(20)이 시편(T)의 표면을 가압하도록 한 후 상기 시편(T)을 수평방향으로 이송시키면, 상기 시편(T)의 표면에는 스크레치 및 이에 따른 음향이 발생되고, 상기 팁(20)에는 수직력(F_N)과 수평력(F_T)등이 발생된다.

이때, 상기 탐침봉(10)에는 음향검출센서(30)가 부착되어 스크레치 과정에서 방사되는 음향을 검출하고, 상기 팁(20)에 발생되는 수직력(F_N) 및 수평력(F_T)등은 각각 이에 대응하는 검출센서(미도시)에 의해 검출되어 컴퓨터(40)로 전송되며, 전송된 각종 데이터는 컴퓨터에 내장된 변환기와 연산프로그램의 처리과정을 거쳐, 사용자가 얻고자 하는 시편의 특성을 정밀하게 측정하게 된다.

도 7은 검출된 데이터 사이의 상관관계를 도식화한 것으로, 탐침봉(10)의 수직력(F_N)을 증가시킴에 따른 음향방사량(A/E) 및 수평력(F_T)의 변동을 나타낸 것이며, 이와 같이 수직력의 인가 및 팁의 형상에 따라 각종 시편의 마찰력 및 스크래치 특성을 손쉽게 측정할 수 있는 것이다.

그러나, 상술한 바와 같이 종래의 측정장치에는 팁에 발생되는 수직력 및 수평력을 검출하기 위해서 각각의 검출센서 및 이에 따른 주변장치가 설치되어 있으므로, 측정장치의 대형화가 초래되고 이에 따른 공간이용의 효율성 및 경제성이 저하되는 문제점이 있었다.

또한, 상기와 같이 탐침봉은 모터와 같은 엑츄에이터(미도시)에 의해 그 변위 및 가압력이 제어되어 왔는데, 모터에 의한 변위제어는 미세한 힘의 제어에 한계가 발생하므로, 특히 두께가 수 마이크로미터에 달하는 박막의 접착강도등을 측정함에 있어서는 정밀한 측정값을 얻을 수 없는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 팁에 발생되는 수직력 및 수평력을 동시에 측정할 수 있는 3축 힘센서를 이용하여 장치를 소형화할 수 있으며, 아울러 탐침봉의 변위 및 가압력을 제어함에 있어서 보다 미세한 힘의 제어가 가능하도록 한 3축 힘센서를 이용한 스크레치 측정장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 3축 힘센서를 제외한 검출부의 자중을 보상하여, 측정과정에서 보다 정밀한 데이터를 검출할 수 있도록 하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 팁을 원터치 방식으로 신속하고 간편하게 분리 및 결합할 수 있도록 하는데 있다.

상기와 같은 목적을 이루기 위해 본 발명은 상면으로 시편이 고정되고 수평으로 이송되는 베드와, 상기 베드의 상측에 구비되며 수직으로 승강되는 이송대를 포함하는 스크레치 측정장치에 있어서, 상기 이송대의 하측에 고정되는 3축 힘센서와; 상기 3축 힘센서의 하측에 고정되며, 내측으로 원통형의 슬리브가 구비되는 하우징과; 상부가 상기 슬리브의 내측에 삽입되어 수직으로 승강가능하게 고정되는 탐침봉과; 상기 슬리브의 내측에 구비되며, 상기 탐침봉의 상단을 탄성지지하는 스프링과; 상기 탐침봉의 하면에 탈,부착 가능하게 고정되는 팁으로 구성된 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 이송대에는 중심부에 관통공이 형성된 부시가 고정되고, 상기 슬리브는 그 상부가 상기 관통공에 삽입되되 상단으로 지지구가 구비되며, 상기 지지구와 부시의 사이에는 상기 지지구의 하면을 지지하는 탄성지지부재가 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 팁은 상기 탐침봉의 하면에 형성된 삽입공에 삽입되고, 상기 탐침봉의 측면에는 상기 삽입공과 연통되는 관통공이 형성되며, 상기 관통공에는 끝단이 상기 팁의 외측면에 형성된 걸림홈에 결합되는 고정핀이 삽입되되, 상기 고정핀은 상기 관통공과의 사이에 구비된 스프링에 의해 탄성지지되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 보인 개략도.

도 2는 도 1에 따른 요부 분해사시도.

도 3은 도 2에 따른 결합상태를 보인 종단면도.

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 보인 요부 단면도.

도 5는 도 3에 따른 작동상태도.

도 6는 종래의 일 예를 보인 요부도.

도 7은 도 6에 따라 얻어진 측정값의 일 예를 보인 그래프.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 테이블 11 : 베드

20 : 컬럼 21 : 이송대

30 : 검출부

31 : 3축 힘센서 32 : 하우징

320 : 슬리브 321 : 격판

33 : 탐침봉 330 : 삽입공

331 : 관통공 34 : 스프링

35 : 장볼트 36 : 팁

360 : 걸림홈 37 : 고정핀

38 : 스프링 39 : 음향검출센서

40 : 부시 41 : 관통공

50 : 지지구 60 : 탄성지지부재

70 : 엑츄에이터 80 : 컴퓨터

T : 시편

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 보인 개략도로서, 도시된 바와 같이 스크레치 측정장치에는 테이블(10)과 이에 수직으로 장착된 컬럼(20)이 구비되고, 상기 테이블(10)의 상측에는 베드(11)가 수평으로 이송가능하게 장착되며, 상기 컬럼(20)에는 상기 베드(11)의 상측으로 이송대(21)가 수직으로 승강가능하게 장착되고, 상기 이송대(21)의 하측에는 검출부(30)가 구비되는데 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.

이때, 상기 베드(11)의 상면에는 테스트 하고자 하는 시편(T)이 고정되고, 베드(11) 및 이송대(21)를 각각 수평 및 수직방향으로 자동이송하기 위해 엑츄에이터(70) 및 가이드레일등이 설치되는데, 이는 당업자가 용이하게 실시할 수 있는 공지된 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.

또한, 상기 검출부(30)로부터 검출된 각종 데이터를 수신하여, 내장된 변환기와 연산프로그램을 통해 시편(T)의 특성을 정밀하게 측정하며, 엑츄에이터(70)와 연결되어 이를 컨트롤하는 컴퓨터(80)가 구비된다.

도 2는 도 1에 따른 요부 분해사시도이고, 도 3은 도 2에 따른 결합상태를 보인 종단면도이다. 도시된 바와 같이 상술한 검출부(30)는 이송대(21)의 하측에 고정되는 3축 힘센서(31)와, 상기 3축 힘센서(31)의 하측에 고정되며 내측으로 원통형의 슬리브(320)가 구비되는 하우징(32)과, 상부가 상기 슬리브(320)의 내측에 삽입되어 수직으로 승강가능하게 고정되는 탐침봉(33)과, 상기 슬리브(320)의 내측에 구비되며, 상기 탐침봉(33)의 상단을 탄성지지하는 스프링(34)과, 상기 탐침봉(33)의 하면에 탈,부착 가능하게 고정되는 팁(36)으로 구성된다.

이때, 상기 슬리브(320)의 내측에는 격판(321)이 형성되고, 상기 격판(321)의 상측에서 관통하여 탐침봉(33)의 상단에 나선결합하는 장볼트(35)가 구비되어 상기 탐침봉(33)이 슬리브(320)의 내측에서 수직으로 승강가능하게 고정되며, 상기 스프링(34)은 격판(321)과 탐침봉(33)의 사이에 구비되어 상기 탐침봉(33)의 상면을 탄성지지하게 되는 것이다.

상기 3축 힘센서(31)는 주지된 바와 같이 3방향의 힘 성분(F_x, F_y, F_z)을 동시에 측정할 수 있는 센서의 일종으로 산업에서 널리 사용되고 있는 것이며, 본 발명은 상기와 같은 3축 힘센서를 이용하여, 스크레치 과정에서 시편의 표면에 발생되는 수직력과 수평력을 동시에 측정한 후 이를 컴퓨터로 송신함으로써, 다수의 센서가 구비된 종래의 측정장치에 비해 그 크기를 소형화할 수 있게 된다.

또한, 상기 탐침봉(33)의 일측에는 팁(36)과 시편의 사이에서 발생되는 음향을 검출하기 위한 음향검출센서(39)가 부착되어 있으며, 이송대(21)에는 중심부에 관통공(41)이 형성된 부시(40)가 고정되고, 슬리브(320)는 그 상부가 상기 관통공(41)에 삽입되되, 상단으로 지지구(50)가 구비되며, 상기 지지구(50)와 부시(40)의 사이에는 상기 지지구(50)의 하면을 지지하는 탄성지지부재(60)가 구비되는데, 이에 대한 작용은 후술하는 도 5에서 설명한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 보인 요부 단면도로서 도시된 바와 같이, 팁(36)은 탐침봉(33)의 하면에 형성된 삽입공(330)에 삽입되고, 상기 탐침봉(33)의 측면에는 상기 삽입공(330)과 연통되는 관통공(331)이 형성되며, 상기 관통공(331)에는 끝단이 상기 팁(36)의 외측면에 형성된 걸림홈(360)에 결합되는 고정핀(37)이 삽입되되, 상기 고정핀(37)은 상기 관통공(331)과의 사이에 구비된 스프링(38)에 의해 탄성지지된다.

이에 따라, 스프링(38)의 탄성력에 의하여 팁(36)을 탐침봉(33)에 원터치 방식으로 신속하고 간편하게 분리 및 결합할 수 있으며, 이때 고정핀(37)에 손잡이를 형성하여 팁(36)을 분리하고자 하는 경우 상기 고정핀(37)을 손쉽게 인출할 수 있도록 하는 것도 바람직하다.

도 5는 도 3에 따른 작동상태도로서 도시된 바와 같이, 이송대(21)를 하강시켜 팁(36)이 시편(T)에 밀착되도록 한 후, 상기 시편(T)을 수평방향으로 이송시킴과 동시에 수직력을 증감하여 상호간에 상대운동을 야기시키고, 이때 발생되는 수직력 및 수평력등을 3축 힘센서(31)로 동시에 검출함으로써, 시편(T)에 대한 스크레치 테스트가 이루어지게 된다.

이때, 팁(36)이 장착된 탐침봉(33)은 그 상단이 스프링(34)에 의해 탄성지지되므로, 엑츄에이터(미도시)에 의해 상기 탐칭봉(33)의 변위가 제어되어 상기 팁(36)이 시편(T)에 접촉하여 가압하는 과정에서, 상기 스프링(34)의 완충작용에 의해 미세한 힘의 제어가 가능하게 된다.

즉, 상술한 바와 같이 미세한 힘의 제어에 한계가 있는 엑츄에이터의 변위제어에 따른 단점을, 스프링의 탄성계수를 이용한 미세제어를 통해 보상함으로써, 종래와는 달리 두께가 수 마이크로미터에 달하는 박막의 접착강도등을 측정함에 있어서도 보다 정밀한 측정값을 얻을 수 있게 된다.

또한, 시편(T)의 표면에 미세한 굴곡(h)이 있는 경우에도 상기 굴곡(h)에 의해 팁(36)의 밀착력에 변동이 발생하는 것을 방지할 수 있게 되며, 이에 따라 검출되는 데이터에 발생가능한 오차를 최소한으로 감소시킬 수 있게 된다.

그리고, 지지구(50)와 부시(40)의 사이에 상기 지지구(50)의 하면을 지지하는 탄성지지부재(60)가 구비되고, 상기 탄성지지부재(60)가 이송대(21)에 부착된 3축 힘센서(31)를 제외한 검출부(30)의 자중을 보상함으로써, 탐침봉(33)에 가하고자 하는 압력에 탐침봉(33)등의 자중이 포함되지 않도록 함으로써 보다 정밀한 데이터를 검출할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명은 3축 힘센서를 이용하여 측정장치를 소형화할 수 있으므로, 종래와는 달리 제조가 간편하고 경제적일 뿐만 아니라 공간을 효율적으로 이용할 수 있는 효과를 가진다.

아울러, 탐침봉의 변위 및 가압력을 제어함에 있어서 스프링을 이용하여 보다 미세한 힘의 제어가 가능하도록 함으로써, 종래와는 달리 두께가 수 마이크로미터에 달하는 박막의 접착강도등을 측정함에 있어서도 보다 정밀한 측정값을 용이하게 얻을 수 있는 효과를 가진다.

또한, 탄성지지부재를 이용하여 3축 힘센서를 제외한 검출부의 자중을 보상함으로써, 측정과정에서 보다 정밀한 데이터를 검출할 수 있는 효과를 가진다

또한, 팁을 탐침봉에 원터치 방식으로 분리 및 결합할 수 있도록 구성하여, 상기 팁을 신속하고 간편하게 교환할 수 있으므로 사용이 매우 편리한 효과를 가진다.

Claims (4)

1. 상면으로 시편(T)이 고정되고 수평으로 이송되는 베드(11)와, 상기 베드(11)의 상측에 구비되며 수직으로 승강되는 이송대(21)를 포함하는 스크레치 측정장치에 있어서,

   상기 이송대(21)의 하측에 고정되는 3축 힘센서(31)와;

   상기 3축 힘센서(31)의 하측에 고정되며, 내측으로 원통형의 슬리브(320)가 구비되는 하우징(32)과;

   상부가 상기 슬리브(320)의 내측에 삽입되어 수직으로 승강가능하게 고정되는 탐침봉(33)과;

   상기 슬리브(320)의 내측에 구비되며, 상기 탐침봉(33)의 상단을 탄성지지하는 스프링(34)과;

   상기 탐침봉(33)의 하면에 탈,부착 가능하게 고정되는 팁(36)으로 구성된 검출부(30)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3축 힘센서를 이용한 스크레치 측정장치.
2. 제1항에 있어서 상기 탐침봉(33)은,

   상기 슬리브(320)의 내측에 형성된 격판(321)과, 상기 격판(321)의 상측에서 관통하여 상기 탐침봉(33)의 상단에 나선결합하는 장볼트(35)에 의해 수직으로 승강가능하게 고정되는 것을 특징으로 하는 3축 힘센서를 이용한 스크레치 측정장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 이송대(21)에는 중심부에 관통공(41)이 형성된 부시(40)가 고정되고,

   상기 슬리브(320)는 그 상부가 상기 관통공(41)에 삽입되되, 상단으로 지지구(50)가 구비되며,

   상기 지지구(50)와 부시(40)의 사이에는 상기 지지구(50)의 하면을 지지하는 탄성지지부재(60)가 구비되는 것을 특징으로 하는 3축 힘센서를 이용한 스크레치 측정장치.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 팁(36)은 상기 탐침봉(33)의 하면에 형성된 삽입공(330)에 삽입되고,

   상기 탐침봉(33)의 측면에는 상기 삽입공(330)과 연통되는 관통공(331)이 형성되며,

   상기 관통공(331)에는 끝단이 상기 팁(36)의 외측면에 형성된 걸림홈(360)에 결합되는 고정핀(37)이 삽입되되, 상기 고정핀(37)은 상기 관통공(331)과의 사이에 구비된 스프링(38)에 의해 탄성지지되는 것을 특징으로 하는 3축 힘센서를 이용한 스크레치 측정장치.