KR20050066577A - 하중 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하중 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 하중 측정 장치는 대상물의 하중에 따라 변형되는 탄성체; 상기 변형되는 탄성체의 변위를 감지하는 변위 센서; 및 상기 변위 센서에서 출력되는 신호를 증폭하고 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부; 및 상기 신호 변환부에서 출력되는 신호를 이용하여 대상물의 하중을 계산하는 하중 계산부를 포함한다. 본 발명에 따르면, 생산 원가를 절감하면서도 마그네틱 하중 센서와 같이 높은 정밀도를 가지는 장점이 있다

Description

하중 측정 장치 및 방법{Device and Method for Measuring Weight}

본 발명은 하중 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하중에 의해 변형되는 탄성체의 변위를 감지하여 하중을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

종래에 있어서, 전자 저울 및 계측기 등과 같이 하중을 측정하는 하중 센서로는 일반적으로 로드셀이나 마그네틱 하중 센서가 이용되었다.

도 1a는 종래의 로드셀의 단면도를 도시한 도면이고, 도 1b는 종래 로드셀의 상부 평면도를 도시한 도면이며, 도 1c는 종래 로드셀의 하부 평면도를 도시한 도면이다.

도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 로드셀은 탄성체로 이루어지며, 로드셀의 상하부에는 고분자 본드를 이용하여 부착된 스트레인 게이지(10, 12, 14, 16)가 구비되어 있다.

스트레인 게이지(10, 12, 14, 16)는 전기적으로 연결되어 있으며, 하중이 가해질 경우 탄성체의 변형에 상응하여 변형된다.

도 2는 하중이 가해졌을 때 로드셀에 발생하는 변화를 도시한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 하중이 가해질 경우, 탄성체는 변형을 일으키게 되고, 이에 따라 로드셀에 부착된 스트레인 게이지(10, 12, 14, 16) 역시 변형을 일으킨다.

도 3a는 스트레인 게이지의 연결 상태를 회로적으로 표시한 도면이다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 스트레인 게이지는 휘트스톤 브리지 회로가 되도록 연결이 되어 있으며, 초기 상태에서는 출력 값이 0이 되도록 설정되어 있다. 스트레인 게이지는 회로에서 저항 성분(10, 12, 14, 16)으로 작용한다.

하중이 가해지면, 로드셀에 부착된 스트레인 게이지는 팽창 또는 수축하게 된다. 저항은 도선의 단면적 및 길이에 대한 함수이므로, 스트레인 게이지가 팽창 또는 수축함에 따라 저항값에 변화가 생기며, 이는 휘트스톤 브리지 회로의 평형 상태를 깨뜨리게 된다. 따라서, 도 3a의 휘트스톤 브리지 회로에는 출력값이 발생하게 되며, 로드셀은 하중이 가해질 때 발생하는 전기적인 신호의 양을 측정하여 하중을 측정한다. 즉, 로드셀은 탄성체의 변형 시 단위 길이당 변위인 변형률을 측정하여 하중을 측정하는 원리를 사용하는 것이다.

도 3b는 로드셀에 부착된 스트레인 게이지의 확대 단면도이다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 로드셀(30)의 상부에는 본드층(32)이 형성되고 그 상부에 고분자 층(34)이 형성된다. 고분자 층은 페놀 또는 폴리아미드 등의 고분자 물질로 구현된다. 고분자 층의 상부에는 저항층(36)이 적층되며, 탄성체의 변형에 따라 저항층의 저항값은 변화된다. 저항층(36)의 상부에는 고분자 필름(38)이 적층되며, 고분자 필름(38)은 저항층으로 습기나 먼지 등이 침투하는 것을 방지하는 기능을 한다.

이와 같은 로드셀은 통상적으로 1/3,000 정도의 정밀도를 가지고 있다. 로드셀은 다양하면서도 단순한 구조물의 설계를 통해 저 원가를 달성함은 물론 다양한 용도로의 활용이 가능하나, 높은 정밀도가 요구되는 하중 센서로는 적용이 곤란하다. 고집적화, 초소형화가 급속히 진행되는 현 산업의 추세에서는 더욱 더 높은 정밀도를 요구하는 경우가 빈번하게 발생하고 있다. 실제로 1/100,000, 1/500,000, 1/1,000,000, 1/5,000,000 이상의 정밀도를 요구하는 경우가 많으며, 마그네틱 하중 센서를 이용하여 상기의 높은 정밀도를 구현하는 제품이 상당히 많이 제작, 사용되고 있는 실정이다. 로드셀이 높은 정밀도를 가지지 못하는 이유는 다음과 같다.

첫째, 탄성체에 하중이 가해지면 그 탄성체가 변형을 일으키며, 이때 생긴 구조물의 변형율이 왜곡됨이 없이 스트레인 게이지에 전달되어야 하는데, 스트레인 게이지를 부착한 물질인 본드(Bond)가 상기 탄성체의 변형율을 왜곡시켜서 스트레인 게이지에 전달한다. 스트레인 게이지의 부착에 사용되는 본드는 고분자 물질로서 불균질한 비정질(Amorphous) 조직 구조를 가지고 있으므로 기계적 특성이 균일하지 못하며, 기계적 특성을 예측하기가 곤란한 특성을 가지고 있다. 또한 제작 공정상에서도 구조물과 스트레인 게이지 사이의 본드층을 균일한 두께로 만들기가 곤란하고, 본드를 굳히는 과정에서도 균일한 특성을 만들기 곤란하며, 본드층을 확대해 보면 그 안에 많은 기포들이 있으며, 이 기포들 또한 본드층의 기계적 특성을 저하시키고 있다.

둘째, 스트레인 게이지 자체에 높은 정밀도를 구현하기 곤란한 문제가 있다. 첫번째 이유와 유사하게 스트레인 게이지의 저항 물질 밑에는 페놀이나 폴리아미드 등의 고분자 층이 구비되며, 구조물의 변형을 스트레인 게이지의 저항 물질에 전달함에 있어서 왜곡 현상 등으로 인한 불균일함이 있으며, 저항 물질 위에는 습기 침투를 방지하는 고분자 필름이 덮여 있어서 이 또한 저항 물질의 연신 작용-늘어나거나 줄어드는 작용-을 방해하고 있다. 상기한 페놀이나 폴리아미드, 습기 침투를 방지하기 위한 고분자 필름 모두가 비정질(Amorphous) 조직 구조를 가지고 있다. 스트레인 게이지에서 가장 중요한 저항 물질은 가느다란 선의 형태인 그리드로 구현되어 있으나 그 단면 형상이 그리드 전체에 대해 균일하지 못하여 구조물의 변형에 따라 균일한 연신 작용을 하지 못함으로서 그에 따라 변화하는 전기적 신호-인가한 전압에 따른 출력 전압-가 균일하지 못한 결과를 초래한다. 이 균일하지 못한 전기적 신호는 로드셀(Load Cell)의 정밀도가 충분히 높지 못하다는 것을 의미한다.

상기와 같은 이유들로 인해 로드셀은 높은 정밀도가 요구되는 하중 센서로는 적용이 곤란하다는 문제점을 갖고 있다. 보다 높은 정밀도를 가지는 로드셀의 연구가 계속 이루어지고 있기는 하나, 이 역시 1/12,000 정도의 정밀도를 구현하는데 그치고 있다.

도 4는 종래의 마그네틱 하중 센서의 단면도를 도시한 도면이다. 마그네틱 하중 센서는 지렛대 원리를 이용한 하중 센서이다.

도 4를 참조하여 마그네틱 하중 센서의 원리를 설명하면 다음과 같다.

하중이 측정될 대상물은 마그네틱 하중 센서의 접시(40)에 놓여진다. 대상물이 접시(40)에 놓여지면, 대상물의 하중에 의해 접시(40)는 아래 방향으로 힘을 받으며, 이 힘은 저울대(42)로 전달된다. 저울대의 한쪽 편에는 광을 수신하는 수광부(44)가 구비되어 있으며, 저울대(42)에 힘이 전달되면, 저울대(42)의 움직임에 의해 수광부에서 수신하는 광량에 변화가 생긴다. 수광부(44)에서 수신하는 광량에는 상·하한의 경계가 설정되어 있으며, 저울대(42)에 하중으로 인한 힘이 전달될 경우, 수광부의 광량이 상한 경계에 도달하게 되며, 이때 수신하는 광량이 원상태가 되도록 코일(46)에 전류를 발생시킨다. 코일(46)에 전류가 흐르게 되면 자력이 발생하고, 발생한 자력은 자석(48)과의 상호작용에 의해 저울대를 아래 방향으로 이동시킨다. 저울대가 아래 방향으로 이동되면, 수신하는 광량이 하한 경계에 도달하게 되며, 이때 전류의 발생을 중지시킨다. 이와 같은 과정은 계속적으로 반복되며, 따라서, 수광부에서 수신하는 광량은 상·하한의 경계를 계속 반복하게 된다. 이때 부가된 하중이 클 경우, 빠른 시간으로 상·하한의 경계를 반복할 것이며, 부가된 하중이 작을 경우 상대적으로 늦은 시간으로 상·하한의 경계를 반복하게 된다. 즉, 마그네틱 하중 센서는 상·하한의 경계를 반복하는 주기에 의해 하중을 측정하는 것이다.

대상물에 의해 하중이 가해질 때, 저울대는 수직방향으로만 움직이는 것이 아니라 수평 방향의 움직임 역시 가지게 된다. 따라서, 가해진 하중이 모두 저울대의 움직임으로 변환되지 않을 수 있으므로, 저울대가 수직 방향으로만의 움직임을 갖도록 패럴렐 가이드(50)가 구비된다. 패럴렐 가이드(50)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 많은 힌지(Hinge) 구조를 포함하고 있다.

전자회로(52)는 상·하한 경계를 반복하는 주기를 이용하여 대상물의 하중을 계산하며, 계산된 하중은 표시판(54)에 디스플레이된다.

이상과 같은 마그네틱 하중 센서는 로드셀에 비하여 높은 정밀도를 구현하고 있다. 통상적으로 1/100,000 이상 1/1,000,000, 1/5,000,000 이상의 정밀도가 구현됨으로서 실제로 높은 정밀도를 요구하는 경우에 많이 제작, 사용되고 있는 실정이다. 그러나, 높은 정밀도를 구현하기 위하여 다음과 같이 많은 문제점이 발생하였다.

첫째, 마그네틱 하중 센서는 로드셀에 비하여 상당히 높은 원가를 형성하고 있다. 마그네틱 하중 센서는 지렛대 원리를 이용하여 하중을 전달하다 보니 힘이 수직 방향으로 직선적으로 전달되지 못하여, 패럴렐 가이드 등의 이를 보정하는 수단을 필요로 한다. 이로 인해 마그네틱 하중 센서의 동작 메커니즘은 대단히 복잡하며, 따라서, 로드셀에 비하여 상당히 높은 원가를 필요로 하게 되는 것이다.

둘째, 상기의 복잡한 메커니즘에는 많은 힌지(Hinge)-두께가 약 0.1mm 정도임-가 필요하다. 그런데 이 힌지의 두께가 너무 얇아서 무거운 하중이나, 외부의 충격에 대단히 취약한 특성을 지니고 있다. 실제로 사용되는 예를 보면 통상 6kg 이내의 하중에서 사용되고 있으며, 특별한 경우 수십 킬로그램 정도의 하중에 견디는 경우가 있을 뿐이다. 또한 제품의 운송이나 이동, 취급 시 취급자의 많은 주의가 필요하다. 그렇지 못하면 운송이나 취급 도중에 센서(Sensor) 자체가 파손되는 경우가 빈번히 발생하고 있다.

셋째, 센서의 크기가 한정적이어서 소형화가 곤란한 문제점이 있다. 실제 사용되는 마그네틱 하중 센서의 크기는 약 100mmW x 100mmD x 50mmH 정도의 크기이며, 더 작게 만드는 것이 대단히 곤란하다. 그 이유는 상기에서 기술하였듯이 복잡한 메커니즘으로 구성되어 있기 때문이다. 산업이 급속히 발전하면서 고집적화, 소형화는 모든 제품이나 기술에 대단히 중요하면서도 필히 이루어져야 하는 과제이다. 그러나 마그네틱 하중 센서는 이러한 과제를 달성하기에는 상대적으로 크기가 큰 문제점을 안고 있다.

넷째, 마그네틱 하중 센서는 복잡한 메카니즘, 큰 하중이나 충격에 대한 취약점, 크기를 다양하면서도 작게 할 수 없는 점등의 이유로 다양한 산업 분야에서의 적용이 어려운 문제점이 있다. 실제 산업 현장에서는 하중 센서가 단순한 저울용 뿐만 아니라, 무거운 호퍼(Hopper) 등의 계량 및 자동 설비 장치에의 적용, 극히 소형화 되어 있는 제품에의 적용 등 다양한 용도로 사용되고 있고, 또한 많은 수요가 있는 실정이다. 그러나 마그네틱 하중 센서는 높은 정밀도를 갖는 장점이 있음에도 불구하고 상기한 많은 문제점들로 인하여 한정된 영역에서만 적용되어 사용되고 있는 실정이다.

본 발명에서는 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 마그네틱 하중 센서와 같이 높은 정밀도를 가지면서 낮은 원가로 제작될 수 있는 하중 측정 장치 및 방법을 제안하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 탄성체의 변위를 측정하는 변위 센서를 이용하여 하중을 측정하는 장치 및 방법을 제안하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 높은 정밀도를 가지면서, 저하중에서부터 고하중까지 모두 적용이 가능한 하중 측정 장치 및 방법을 제안하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 높은 정밀도를 가지면서, 비교적 단순한 메카니즘으로 구현될 수 있으며, 소형화에 적합한 하중 측정 장치 및 방법을 제안하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 대상물의 하중에 따라 변형되는 탄성체; 상기 변형되는 탄성체의 변위를 감지하는 변위 센서; 및 상기 변위 센서에서 출력되는 신호를 증폭하고 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부; 및 상기 신호 변환부에서 출력되는 신호를 이용하여 대상물의 하중을 계산하는 하중 계산부를 포함하는 하중 측정 장치가 제공된다.

상기 탄성체의 중앙에는 중암임을 알리는 돌출부 또는 표시자가 형성될 수 있다.

상기 변위 센서는 인덕토신, LVDT, 과전류 변위계, 콘덴서 변위계, 자기 격자 센서, 레이저 센서, 마이크로파 레이더, 플로그래피, 이미지 센서, 지각 변형계, 자기 저항 소자, 반도체 자기 저항 소자, 마그네트론, 열전자 빔관, 자기 다이오드, 광응용 센서, 광 파이버 변위 센서로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 변위 센서는 인덕토신을 포함하며, 상기 탄성체의 변위에 따라 변화되는 유도 전류를 통해 탄성체의 변위를 감지할 수 있다.

상기 변위 센서는, 고정되어 있으며 전기적인 패턴이 형성되어 있는 제1 보드; 상기 탄성체의 하부에 결합되어 있으며, 전기적인 패턴이 형성되어 있는 제2 보드를 포함하고, 상기 탄성체의 변위에 상응하여 상기 제2 보드가 이동하며, 상기 제2 보드의 이동에 따라 상기 제1 보드 또는 상기 제2 보드 중 어느 하나의 유도 전류에 변화가 발생할 수 있다.

상기 제2 보드가 이동함에 따라, 상기 제2 보드에 형성된 패턴과 상기 제1 보드에 형성된 패턴은 가로 방향으로 엇갈리며, 이에 따라 유도 전류의 변화가 발생할 수 있다.

상기 제2 보드가 이동함에 따라, 상기 제2 보드에 형성된 패턴과 상기 제1 보드에 형성된 패턴은 세로 방향으로 엇갈리며, 이에 따라 유도 전류의 변화가 발생할 수 있다.

상기 제2 보드는 상기 탄성체의 중앙 하부에 결합될 수 있다. 상기 제1 보드 및 상기 제2 보드는 PCB 공법에 의해 제작될 수 있으며, 이와 다르게 스퍼터링(박막증착 공법) 공법에 의해 제작될 수도 있다.

상기 인덕토신은 전자기 유도식 인덕토신 또는 정전 용량식 인덕토신 중 선택된 어느 하나일 수 있다.

상기 하중 측정 장치는 원통 형태 또는 다면체의 형태이며, 상기 탄성체가 변형할 수 있도록 내부에 중공부가 형성될 수 있다.

상기 탄성체가 가해지는 하중에 민감하게 반응할 수 있도록, 상기 탄성체의 상하부에는 적어도 하나의 변형홈이 형성될 수 있다.

상기 탄성체가 가해지는 하중에 민감하게 반응할 수 있도록, 상기 탄성체에는 적어도 하나의 홀이 형성될 수 있다.

상기 신호 변환부는, 상기 제1 보드 또는 상기 제2 보드 중 어느 하나에서 발생되는 유도 전류를 증폭하는 증폭기; 상기 증폭기에서 출력되는 신호를 DC 신호로 변환하는 AC/DC 신호 컨버터; 상기 AC/DC 시그널 컨버터에서 출력되는 신호에서 유효한 성분을 추출하기 위해 액티브 필터; 상기 액티브 필터에서 출력되는 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터를 포함할 수 있다.

상기 하중 계산부는 마이크로 프로세서를 포함하며, 미리 설정된 알고리즘에 따라 상기 신호 변환부에서 출력되는 신호를 이용하여 하중을 계산할 수 있다.

한편 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 탄성체의 상부에 하중을 인가하는 단계; 변위 센서를 이용하여, 하중에 상응하여 변형되는 상기 탄성체의 변위를 감지하는 단계; 상기 감지된 변위에 상응하는 감지 신호를 출력하는 단계; 상기 감지 신호를 증폭하고 디지털 신호로 변환하는 단계; 및 상기 변환된 디지털 신호를 마이크로 프로세서에 입력하여 미리 설정된 알고리즘에 따라 가해진 하중을 계산하는 단계를 포함하는 하중 측정 방법이 제공된다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하중 측정 장치를 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하중 측정 장치의 전체적인 구성을 도시한 블록도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하중 측정 장치는 하중 센서(500), 신호 변환부(502), 하중 계산부(504) 및 디스플레이부(506)를 포함할 수 있으며, 하중 센서(500)는 탄성체(508) 및 변위 센서(510)를 포함할 수 있다.

도 5에서, 하중 센서(500)는 하중을 측정하려는 대상물을 올려놓을 경우, 상기 대상물의 하중에 따라 변형되는 탄성체(508)의 변위를 측정하여 대상물의 하중을 감지한다.

종래의 로드셀의 경우, 탄성체의 변형률을 이용하여 대상물의 하중을 측정하였고, 마그네틱 하중 센서의 경우 대상물을 올려놓았을 때 저울대에 가해지는 힘을 이용하여 대상물의 하중을 측정하였으나, 본 발명에서는 탄성체의 변위를 이용하여 하중을 측정하도록 한다.

하중 센서(500)에 구비된 변위 센서(510)는 대상물에 따라 변형하는 탄성체(508)의 변위를 감지하고, 감지 신호를 출력하여 신호 변환부(502)에 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 변위 센서(510)는 탄성체(508)와 물리적으로 접촉하지 않은 상태에서 탄성체(508)의 변위를 감지한다. 물리적으로 접촉하지 않은 상태에서 변위를 감지하므로, 탄성체의 변위가 왜곡되지 않으면서 변위를 감지할 수 있어 접촉된 상태에서 탄성체의 변형률을 감지하는 로드셀의 경우보다 정확한 정밀도를 가지고 하중을 감지할 수 있다.

그러나, 접촉된 상태에서 탄성체의 변위를 감지할 수도 있다는 것은 당업자에게 있어 자명할 것이다.

변위 센서(510)는 변위를 감지하는 모든 소자를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 인덕토신(Inductosyn), LVDT(Linear Variation Differntial Transformer), 와전류 변위계, 콘덴서 변위계, 자기 격자 센서, 광학 변위 센서, 레이저 센서, LED 변위 센서, 초음파 변위 센서, 마이크로파 레이더, 플로그래피, 이미지 센서, 지각 변형계, 자기 저항 소자, 반도체 자기 저항 소자, 마그네트론, 열전자 빔관, 자기 다이오드, 광응용 센서 및 광파이버 변위 센서 등이 포함될 수 있다.

변위 센서(510)는 감지된 변위의 크기에 상응하여 전기 신호 또는 광 신호 등의 형태로 감지 신호를 출력하며 출력된 신호는 신호 변환부(502)에 입력된다.

하중 센서(500)의 기계적인 구성에 대한 바람직한 실시예는 별도의 도면들을 통해 상세히 설명하기로 한다.

신호 변환부(502)는 하중 센서(500)에서 출력되는 감지 신호를 이용하여 하중을 계산할 수 있도록 감지 신호를 변환하는 기능을 한다. 하중 센서(500)에서 출력되는 감지 신호는 일반적으로 아날로그 신호이며, 많은 노이즈를 포함할 수 있다. 신호 변환부(502)는 이러한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고 노이즈 성분을 제거하는 기능을 한다.

신호 변환부(502)의 회로 구성은 변위 센서로 어떠한 소자가 사용되었는가에 따라 다르게 구성될 수 있을 것이다. 신호 변환부의 구체적인 일 실시예는 별도의 도면을 통해 후에 상세히 설명하기로 한다.

하중 계산부(504)는 신호 변환부(502)에서 출력되는 신호를 이용하여 대상물의 하중을 계산한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하중 계산부(504)는 마이크로 프로세서에 의해 구현될 수 있을 것이다. 그러나, 마이크로 프로세서 이외에 다양한 프로세싱 수단을 통해 하중 계산부(504)가 구현될 수 있다는 것은 당업자에게 있어 자명할 것이다.

디스플레이부(506)는 하중 계산부(504)에서 계산된 하중을 표시해주는 기능을 하며, LCD, LED 등과 같은 다양한 디지털 표시 수단 및 아날로그 표시 수단으로 구현될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 신호 변환부(502)에서 출력되는 신호를 마이크로 프로세서에 입력하여 미리 설정된 알고리즘에 따라 대상물의 하중을 계산할 수 있다. 높은 정밀도를 요하지 않는 경우 룩업(Look-Up) 테이블을 이용하여 대상물의 하중을 계산할 수도 있을 것이다.

도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하중 센서의 외관에 대한 사시도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 하중 센서는 원통형 구조일 수 있으며, 탄성체(60), 측벽(62) 및 하부면(72)을 포함할 수 있다. 상부면에 해당하는 탄성체(60)의 중앙 부분에는 돌출부(64)가 형성되어 있다.

도 6에서 탄성체(60)는 하중을 측정하려는 대상물이 올려지는 부분으로, 탄성체는 알루미늄, 스틸, 스테인레스 등과 같은 탄성을 가진 금속 재질로 이루어질 수 있다. 탄성체에 대상물이 올려지면, 탄성체는 대상물에 하중에 따라 변형을 일으킨다.

탄성체(60)의 중앙에 형성되어 있는 돌출부(64)는 탄성체의 중앙을 표시하기 위한 표시자로서의 역할을 한다. 대상물이 탄성체(60)의 중앙 부분에 올려질 경우에 탄성체(60)가 대상물의 하중에 정확히 비례하여 변형을 하게 되므로, 중앙을 정확히 식별할 수 있도록 돌출부를 형성한 것이다.

따라서, 돌출부(64)는 기계적인 동작에 영향을 미치지는 않으며, 돌출부(64)가 형성되지 않아도 무방하다. 또는 돌출부(64)를 대신하여 중앙 부분에 중앙임을 표시하는 식별자가 표시될 수도 있을 것이다.

측벽(62)은 탄성체(60)를 지지한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 탄성체가 대상물의 하중에 따라 정밀하게 변형되도록, 측벽(62) 역시 탄성체와 동일한 재질로 이루어진다. 그러나, 하부면(72)은 탄성체와 동일한 재질로 이루어질 필요는 없으며, 플라스틱, 금속 등의 다양한 재질로 이루어질 수 있을 것이다.

도 7은 도 6에 도시한 하중 센서의 A-A 방향에 대한 단면도이고, 도 8은 도 6의 A-A선과 직교하는 방향에 대한 단면도이다.

도 6 내지 도 8은 본 발명의 하중 센서에서 사용되는 변위 센서로서 인덕토신이 사용되는 경우를 예로 하여 도시한 것이다. 그러나, 인덕토신 이외에도 상술한 다양한 변위 센서가 사용될 수 있다는 것은 당업자에게 있어 자명할 것이다.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 하중 센서의 내부에는 탄성체(60)가 변형을 일으킬 수 있도록 중공부(70)가 형성되어 있으며, 하부면(72)의 상부에는 제1 보드(66)가 결합되어 있으며, 탄성체(60)의 하부에는 제2 보드(68)가 결합되어 있다.

제2 보드(68)는 탄성체에 결합되어 있으므로, 탄성체의 변형에 상응하여 위치가 이동되며, 제1 보드(66)는 고정되어 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 보드(66)와 제2 보드(68)는 상하로 겹치지 않도록 소정의 간격을 두고 배치된다. 도 8에는 탄성체(60)에 하중이 가해짐에 따라 탄성체에 결합된 제2 보드(68)가 아래 방향으로 이동하는 예가 도시되어 있다.

탄성체에 결합되는 제2 보드(68)는 탄성체의 중앙에 결합되는 것이 바람직하다. 제2 보드(68)가 탄성체의 중앙에 결합되지 않을 경우, 제2 보드(68)는 세로 방향이 아닌 가로 방향으로도 변위를 일으킬 수 있게 되며, 이는 대상물의 하중이 모두 제2 보드(68)의 변위에 반영되지 않았다는 것을 의미하기 때문이다. 따라서, 대상물이 하중이 모두 제2 보드(68)의 세로 방향으로의 변위에 반영되도록, 제2 보드는 탄성체의 중앙에 결합시킨다.

제1 보드 및 제2 보드에는 전기적인 패턴이 형성되어 있으며, 도 9는 제1 보드 및 제2 보드에 형성되는 전기적인 패턴의 일례를 도시한 도면이다.

도 9를 참조하여 탄성체의 변위를 감지하는 상세한 방법을 설명하면 다음과 같다.

도 9에서 식별부호 900은 제1 보드에 형성되는 패턴을 도시한 것이며, 식별부호 902는 제2 보드에 형성되는 패턴을 도시한 것이다. 그러나, 식별부호 900의 패턴이 제2 보드에 형성되고, 식별부호 902의 패턴이 제1 보드에 형성되어도 무방하다는 것은 당업자에게 있어 자명할 것이다.

또한 도 9에서 (a) 부분은 하중이 가해지기 전 상태를 도시한 것이며, (b) 부분은 하중이 가해진 후의 상태를 도시한 것이다.

제1 보드에 형성되는 패턴(900)에는 교류 전원이 결합되어 있으며, 교류 전원을 통해 전류가 공급되고 화살표 방향으로 전류가 흘러간다. 제1 보드의 패턴에 전류가 흐르면 패턴 주위로 자기장이 형성된다.

탄성체에 하중이 가해지면, 제2 보드의 위치가 변하며, 이에 따라 도 9의 (b)와 같이 제1 보드의 패턴 및 제2 보드의 패턴 사이의 위치 관계가 변하게 된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 하중이 가해지기 전에는 제1 보드의 패턴과 제2 보드의 패턴이 동일한 위상을 가지고 배치되어 있으나, 하중이 가해질 경우 제2 보드가 밀려나면서 두 개의 보드의 패턴들의 위상이 달라지게 된다. 제1 보드와 제2 보드는 인접해있는 상태이므로, 제2 보드가 이동할 경우 제1 보드에서 형성된 자기장은 제2 보드의 패턴에 발생하는 유도 전류의 크기를 변화시킨다. 이때, 제2 보드에 발생하는 유도 전류의 크기는 제1 보드에 형성된 패턴과 제2 보드에 형성된 패턴의 위치 관계에 따라 달라진다. 본 발명은 제2 보드의 이동에 따라 제2 보드에서 발생하는 유도 전류의 크기를 감지하여 탄성체의 변위를 감지한다.

즉, 본 발명에 따른 하중 센서는 제1 보드와 제2 보드가 접촉하지 않은 상태에서 변위를 감지하므로, 접촉으로 인한 왜곡을 방지할 수 있어 로드셀보다는 더욱 높은 정밀도를 가지고 하중을 측정할 수 있다. 예를 들어, 로드셀은 1/3000 정도의 정밀도를 가지는 반면 본 발명은 1/100,000 이상의 정밀도를 가질 수 있다.

도 9를 참조하여 설명한 변위 감지 방법은 대표적인 변위 센서인 인덕토신에서 사용하는 변위 감지 방법이다.

인덕토신에서 사용되는 전기적인 패턴을 가진 제1 보드 및 제2 보드는 일반적으로 스퍼터링 공법(박막 증착 공법)에 의해 제작된다. 스퍼터링 공법(박막 증착 공법)에 의해 제1 보드 및 제2 보드를 제작할 경우, 세밀한 패턴을 가진 보드를 제작할 수 있다.

그러나, 본 발명의 더욱 바람직한 실시예에 따르면, 제1 보드 및 제2 보드는 PCB 공법에 의해 제작될 수도 있다. PCB 공법에 의해 보드를 제작할 경우, 스퍼터링 공법에 비해 세밀한 패턴을 형성하지 못하나, 상대적으로 낮은 정밀도의 하중 측정용으로 이용될 변위 센서는 대단히 높은 정밀도를 요구하는 것이 아니며, PCB 공법에 의해 보드를 제작할 경우 제작 비용 및 시간을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 보드 및 제2 보드에 형성되는 전기적인 패턴의 또 다른 일례를 도시한 도면이다.

도 9는 정전 용량식 인덕토신의 패턴에 대한 것이며, 도 10은 전자기 유도식 인덕토신의 패턴을 도시한 것이다.

도 10에서 식별부호 1000은 제1 보드에 형성되는 전기적인 패턴을 도시한 것이며, 식별부호 1002는 제2 보드에 형성되는 전기적인 패턴을 도시한 것이다. 도 9의 경우와 마찬가지로 식별부호 1000의 패턴이 제2 보드에 형성되고 식별부호 1002의 패턴이 제1 보드에 형성되어도 무방하다.

도 10에서, 제1 보드에 형성되는 전기적인 패턴은 도 9의 경우와 동일하나, 제2 보드에 형성되는 패턴이 다르다. 제2 보드에 형성되는 패턴은 도 9와 달리 90도의 위상차를 두고 단절되어 있다. 정전 용량식과는 달리 각 패턴들의 전류들이 합쳐지면 제2 보드의 이동에 따른 유도 전류의 크기에는 변화가 발생하지 않고, 유도 전류의 위상만이 바뀌게 되며, 따라서, 유도 전류의 위상 변화를 통해 탄성체의 변위를 감지한다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하중 센서의 단면도를 도시한 것이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 패턴이 도 7과 반대 방향으로 형성되어 있다는 것을 제외하고는 도 11의 단면도는 도 7과 동일하다.

도 7 내지 도 10에 도시한 실시예에서는 하중이 가해짐에 따라 패턴이 가로 방향으로 이동한 거리(두 개의 패턴 사이의 위상차)에 의해 발생하는 유도 전류의 크기 변화 또는 위상 변화를 통해 변위를 감지하였다.

그러나, 도 11에 도시한 실시예에서는 패턴이 세로 방향으로 이동한 거리(두 개의 패턴이 겹치는 정도)에 의해 발생되는 유도 전류의 차이를 통해 변위를 감지하도록 한다.

도 12는 도 11의 실시예에 따른 제1 보드 및 제2 보드에 형성되는 패턴을 도시한 도면이다.

도 12에서 식별부호 1200은 제2 보드에 형성되는 패턴이며, 식별부호 1202는 제1 보드에 형성되는 패턴이다. 마찬가지로, 순서를 바꾸어 패턴이 형성되어도 무방하다.

도 12에 도시된 바와 같이, 패턴이 반대 방향으로 형성되어 있으므로, 하중이 가해짐에 따라 패턴은 가로 방향이 아닌 세로 방향으로 움직인다. 패턴이 가로 방향으로 이동하지 않고 도 12와 같이 세로 방향으로 움직여도 제2 보드의 패턴에 발생하는 유도 전류의 양이 달라지게 된다.

패턴이 더 많이 겹쳐지면 겹쳐질수록 유도 전류의 양은 증가할 것이며, 유도 전류의 양이 증가할수록 더 많은 하중이 가해졌다는 것을 알 수 있게 된다.

도 11 및 도 12의 실시예와 같이 패턴을 반대로 형성할 경우, 패턴의 전체적인 저항이 맞도록 상대적으로 패턴을 더 세밀하게 형성할 수 있으며, 이에 따라 하중 센서를 도 9 및 도 10의 경우보다 더 소형으로 제작할 수 있는 장점이 있다. 특히, 도 11 및 도 12와 같이 반대로 형성할 경우, 세로 방향의 길이를 소형화하는데 유리하다. 도 11 및 도12와 같이 패턴을 반대로 형성하는 경우는 정전 용량식 인턱토신에만 적용되며, 위상차의 변화를 감지하는 전자기 유도식 인덕토신에는 적용되지 않는다.

도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하중 센서의 외관을 도시한 사시도이고, 도 14는 도 13의 하중 센서의 B-B 방향에 대한 단면도, 도 15는 도 13의 B-B 방향과 직교하는 방향에 대한 단면도이다.

도 13 내지 도 15에 도시된 바와 같이, 탄성체(60)의 상부면에 원형의 제1 변형홈(63)이 형성되어 있으며, 탄성체의 하부면에는 동심원 형태의 제2 변형홈(65)이 형성되어 있다. 도 13 내지 도 15에서, 제2 변형홈(65)의 원주가 제1 변형홈(63)의 원주보다 더 크다.

도 13내지 도 15의 실시예에서 탄성체의 상하부에 형성되는 제1 변형홈(63) 및 제2 변형홈(65)은 하중에 따른 탄성체의 변형을 더욱 민감하게 만드는 작용을 한다. 따라서, 도 13 내지 도 15와 같이 변형홈을 형성시킬 경우, 더욱 높은 정밀도를 가지고 하중을 측정할 수 있는 장점이 있다.

하중이 가해짐에 따라 제2 보드(68)의 위치가 변화하면서 발생하는 유도 전류의 크기를 통해 하중을 측정하는 원리는 동일하다. 아울러, 도 14에는 패턴이 도 9와 같은 방식으로 형성되는 경우가 도시되어 있으나, 도 12와 같이 패턴이 형성될 수도 있다는 것은 당업자에게 있어 자명할 것이다.

도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하중 센서의 외관을 도시한 사시도이고, 도 17은 도 16의 하중 센서의 C-C 방향에 대한 단면도, 도 18은 도 16의 C-C 방향과 직교하는 방향에 대한 단면도이다.

도 16 내지 도 18에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하중 센서는 탄성체(60)의 상부면에 제1 변형홈(63)이 형성되며, 탄성체(60)의 하부면에 제2 변형홈(65)이 형성된다. 도 15 내지 도 17의 실시예와는 반대로, 도 16내지 도 18의 실시예에서는 제1 변형홈(63)의 원주가 제2 변형홈(65)의 원주보다 크다. 변형홈의 원주의 크기와는 상관없이, 탄성체의 상하부에 변형홈을 형성할 경우, 하중에 따른 탄성체의 변형이 더 민감해지며 보다 세밀하게 하중을 측정할 수 있다. 변형홈을 제외하고 다른 동작적인 부분은 상술한 실시예들과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하중 센서의 외관을 도시한 사시도이고, 도 20은 도 19의 하중 센서의 D-D 방향에 대한 단면도, 도 21은 도 19의 D-D방향과 직교하는 방향에 대한 단면도이다.

도 19에 도시된 바와 같이, 탄성체(60)의 양옆으로 반달 모양의 홀(80)이 형성되어 있다. 도 19에는 반달 모양의 홀(80)이 형성되어 있으나, 홀의 형태가 다양하게 변형될 수 있다는 것은 당업자에게 있어 자명할 것이다.

변형홈과 마찬가지로 홀(80)은 하중에 따라 탄성체가 더욱 민감하게 반응하도록 하는 기능을 한다. 홀(80)이 형성되었다는 점을 제외하고 다른 부분은 상술한 실시예들과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하중 센서의 외관을 도시한 사시도이고, 도 23은 도 22의 하중 센서의 E-E 방향에 대한 단면도, 도 24는 도 22의 E-E방향과 직교하는 방향에 대한 단면도이다.

도 22에 내지 도 24에 도시된 바와 같이, 탄성체에 홀(80)이 형성됨과 동시에 탄성체의 상부면에는 제1 변형홈(63)이 형성되어 있으며, 탄성체의 하부면에는 제2 변형홈(65)이 형성되어 있다.

도 22 내지 도 24에 도시된 실시예는 탄성체에 홀과 변형홈을 함께 형성시킴으로써, 하중에 따른 탄성체의 변형이 더욱 정밀하게 이루어질 수 있도록 한 것이다. 도 22 내지 도 24에서, 제1 변형홈(63)의 원주보다 제2 변형홈(64)의 원주가 더 크게 형성되어 있으며, 제1 변형홈(63)의 원주가 더 크게 형성된 실시예는 도 25 내지 도 27에 도시되어 있다.

도 22 내지 도 27에 도시된 실시예는 변형홈과 홀이 함께 형성되어 있다는 점을 제외하고 다른 부분은 상술한 실시예들과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 28은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하중 센서의 외관을 도시한 사시도이고, 도 29는 도 28의 하중 센서의 G-G 방향에 대한 단면도, 도 30은 도 28의 G-G방향과 직교하는 방향에 대한 단면도이다.

도 28 내지 도 30에 도시된 실시예는 하중 센서가 사각 기둥의 형태로 제작되었다는 점을 제외하면, 도 6 내지 도 8에 도시된 실시예와 동일하다. 본 발명에 따른 하중 센서는 원기둥 및 사각기둥 이외에도 다양한 형태로 제작될 수 있으며, 이러한 형태의 변경이 본 발명의 사상 및 범주에 영향을 미치지 않는다는 것은 당업자에게 있어 자명할 것이다.

도 31은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하중 센서의 외관을 도시한 사시도이고, 도 32는 도 31의 하중 센서의 H-H 방향에 대한 단면도, 도 33은 도 31의 H-H방향과 직교하는 방향에 대한 단면도이다.

도 31 내지 도 33에 도시된 바와 같이, 하중 센서는 사각 기둥의 형태이며, 탄성체(60)의 상부면에는 제1 변형홈(63)이 형성되어 있으며, 탄성체(60)의 하부면에는 제2 변형홈(65)이 형성되어 있다. 상술한 실시예들과 마찬가지로, 변형홈들(63, 65)들은 탄성체가 하중에 더욱 민감하게 반응하도록 한다. 도 31 내지 도 33에는 제1 변형홈이 중앙에서 더 안쪽으로 형성되어 있으며, 제1 변형홈이 중앙에서 더 바깥쪽으로 형성된 실시예는 도 34 내지 도 36에 도시되어 있다.

도 37은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 신호 변환부 및 하중 계산부의 구성을 도시한 블록도이다.

도 37에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 변환부 및 하중 계산부는 증폭기(370), AC/DC 신호 컨버터(372), 액티브 필터(374), A/D 컨버터(376) 및 마이크로 프로세서(378)를 포함할 수 있다.

증폭기(370)는 하중 센서에서 출력되는 감지 신호를 증폭한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 증폭기(370)는 감지 신호에 대해 차동 증폭을 수행하는 OP 앰프인 것이 바람직하다.

보드의 패턴에 인가되는 전류가 교류 신호이므로, 하중 센서에서 출력되는 감지 신호 역시 교류 신호이다. AC/DC 신호 컨버터(372)는 교류인 감지 신호를 직류로 변환하는 정류 회로로서의 기능을 한다. AC/DC 신호 컨버터(372)는 다이오드로 구현될 수 있으며, 다이오드와 같은 소자가 집적된 집적회로로 구현될 수도 있을 것이다.

직류로 변환된 감지 신호는 액티브 필터(374)로 입력되며, 액티브 필터(374)는 서지 신호등을 차단하여 최대한 유효한 신호를 얻을 수 있도록 한다. 액티브 필터(374)에서 출력되는 신호는 A/D 컨버터(376)로 입력되어 디지털 신호로 변환된다.

변환된 디지털 신호는 마이크로 프로세서(378)로 입력되며, 마이크로 프로세서(378)는 미리 설정된 알고리즘을 이용하여 입력된 신호의 크기에 상응하는 대상물의 하중을 계산한다.

도 38은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하중 측정 방법의 전체적인 흐름을 도시한 순서도이다.

도 38에 도시된 바와 같이, 탄성체에 대상물이 올려놓아지면, 탄성체에 하중이 인가된다(S380).

탄성체에 하중이 인가되면, 하중이 가해지는 방향에 따라 탄성체는 변형을 일으킨다(S382).

탄성체가 변형됨에 따라 탄성체의 중앙 하부면에 결합된 제2 보드 역시 하중이 가해지는 방향으로 위치가 변하게 된다(S384).

제2 보드의 위치가 변함에 따라 보드에 형성된 패턴에는 유도 전류가 변화한다(S386). 도 9 및 도 10과 같이, 제1 보드 및 제2 보드의 패턴이 가로 방향으로 어긋나면서 유도 전류가 변화할 수도 있으며, 도 12와 같이 제1 보드 및 제2 보드의 패턴이 세로 방향으로 겹치면서 유도 전류가 변화할 수도 있을 것이다.

발생된 유도 전류는 증폭기로 입력되며, 증폭기는 입력된 전류에 대한 차동 증폭을 수행한다(S388). 증폭된 유도 전류는 AC/DC 신호 컨버터에 의해 직류 신호로 변환된다(S390).

신호가 정류된 후, 액티브 필터는 신호의 서지 성분 등을 제거하여 유효한 성분만을 확보할 수 있도록 한다(S392). 액티브 필터에서 출력되는 신호는 A/D 컨버터에 의해 디지털 신호로 변환된다(S394).

마이크로 프로세서 등을 이용하여 구현되는 하중 계산부는 변환된 디지털 신호를 이용하여 대상물의 하중을 계산한다(S396). 전술한 바와 같이, 미리 설정된 계산 알고리즘을 이용하거나 룩업 테이블 등을 이용하여 하중을 계산할 수 있을 것이다. 계산된 하중은 디스플레이 장치를 통해 사용자에게 디스플레이된다(S398).

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 하중 측정 장치 및 방법은 생산 원가를 절감하며서도 마그네틱 하중 센서와 같이 높은 정밀도를 가지는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 하중 측정 장치 및 방법에 따르면, 하중에 제한을 받지 않고 저하중에서부터 고하중까지 모두 적용 가능하며, 비교적 단순한 메카니즘으로 구현될 수 있는 장점이 있다.

아울러, 본 발명은 인덕토신의 보드를 PCB 공법으로 구현함으로써 생산 원가를 더욱 절감하고, 패턴의 방향을 종래의 인덕토신과는 반대로 구현함으로써 보다 소형화된 하중 센서를 구현할 수 있는 장점이 있다.

도 1a는 종래의 로드셀의 단면도를 도시한 도면이고, 도 1b는 종래 로드셀의 상부 평면도를 도시한 도면이며, 도 1c는 종래 로드셀의 하부 평면도를 도시한 도면.

도 2는 하중이 가해졌을 때 로드셀에 발생하는 변화를 도시한 도면.

도 3a는 스트레인 게이지의 연결 상태를 회로적으로 표시한 도면.

도 3b는 로드셀에 부착된 스트레인 게이지의 확대 단면도.

도 4는 종래의 마그네틱 하중 센서의 단면도를 도시한 도면.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하중 측정 장치의 전체적인 구성을 도시한 블록도.

도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하중 센서의 외관에 대한 사시도.

도 7은 도 6에 도시한 하중 센서의 A-A 방향에 대한 단면도.

도 8은 도 6의 A-A선과 직교하는 방향에 대한 단면도.

도 9는 제1 보드 및 제2 보드에 형성되는 전기적인 패턴의 일례를 도시한 도면.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 보드 및 제2 보드에 형성되는 전기적인 패턴의 또 다른 일례를 도시한 도면.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하중 센서의 단면도.

도 12는 도 11의 실시예에 따른 제1 보드 및 제2 보드에 형성되는 패턴을 도시한 도면.

도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하중 센서의 외관을 도시한 사시도.

도 14는 도 13의 하중 센서의 B-B 방향에 대한 단면도.

도 15는 도 13의 B-B 방향과 직교하는 방향에 대한 단면도.

도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하중 센서의 외관을 도시한 사시도.

도 17은 도 16의 하중 센서의 C-C 방향에 대한 단면도.

도 18은 도 16의 C-C 방향과 직교하는 방향에 대한 단면도.

도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하중 센서의 외관을 도시한 사시도.

도 20은 도 19의 하중 센서의 D-D 방향에 대한 단면도.

도 21은 도 19의 D-D방향과 직교하는 방향에 대한 단면도.

도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하중 센서의 외관을 도시한 사시도.

도 23은 도 22의 하중 센서의 E-E 방향에 대한 단면도.

도 24는 도 22의 E-E방향과 직교하는 방향에 대한 단면도.

도 25는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하중 센서의 외관을 도시한 사시도.

도 26은 도 25의 하중 센서의 F-F 방향에 대한 단면도.

도 27는 도 25의 F-F방향과 직교하는 방향에 대한 단면도.

도 28은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하중 센서의 외관을 도시한 사시도.

도 29는 도 28의 하중 센서의 G-G 방향에 대한 단면도.

도 30은 도 28의 G-G방향과 직교하는 방향에 대한 단면도.

도 31은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하중 센서의 외관을 도시한 사시도.

도 32는 도 31의 하중 센서의 H-H 방향에 대한 단면도.

도 33은 도 31의 H-H방향과 직교하는 방향에 대한 단면도.

도 34는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하중 센서의 외관을 도시한 사시도.

도 35는 도 34의 하중 센서의 I-I 방향에 대한 단면도.

도 36은 도 34의 I-I방향과 직교하는 방향에 대한 단면도.

도 37은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 신호 변환부 및 하중 계산부의 구성을 도시한 블록도.

도 38은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하중 측정 방법의 전체적인 흐름을 도시한 순서도.

Claims (20)

1. 대상물의 하중에 따라 변형되는 탄성체;

   상기 변형되는 탄성체의 변위를 감지하는 변위 센서; 및

   상기 변위 센서에서 출력되는 신호를 증폭하고 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부; 및

   상기 신호 변환부에서 출력되는 신호를 이용하여 대상물의 하중을 계산하는 하중 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하중 측정 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 변위 센서는 인덕토신, LVDT, 과전류 변위계, 콘덴서 변위계, 자기 격자 센서, 레이저 센서, 마이크로파 레이더, 플로그래피, 이미지 센서, 지각 변형계, 자기 저항 소자, 반도체 자기 저항 소자, 마그네트론, 열전자 빔관, 자기 다이오드, 광응용 센서, 광 파이버 변위 센서로 이루어진 그룹으로부터 선텍된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 하중 측정 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 변위 센서는 인덕토신을 포함하며, 상기 탄성체의 변위에 따라 변화하는 유도 전류를 통해 탄성체의 변위를 감지하는 것을 특징으로 하는 하중 측정 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 변위 센서는,

   고정되어 있으며 전기적인 패턴이 형성되어 있는 제1 보드;

   상기 탄성체의 하부에 결합되어 있으며, 전기적인 패턴이 형성되어 있는 제2 보드를 포함하고,

   상기 탄성체의 변위에 상응하여 상기 제2 보드가 이동하며, 상기 제2 보드의 이동에 따라 상기 제1 보드 또는 상기 제2 보드 중 어느 하나에 유도 전류의 변화가 발생하는 것을 특징으로 하는 하중 측정 장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제2 보드가 이동함에 따라, 상기 제2 보드에 형성된 패턴과 상기 제1 보드에 형성된 패턴은 가로 방향으로 엇갈리며, 이에 따라 유도 전류의 변화가 발생하는 것을 특징으로 하는 하중 측정 장치.
6. 제4항에 있어서,

   상기 제2 보드가 이동함에 따라, 상기 제2 보드에 형성된 패턴과 상기 제1 보드에 형성된 패턴은 세로 방향으로 엇갈리며, 이에 따라 유도 전류의 변화가 발생하는 것을 특징으로 하는 하중 측정 장치.
7. 제4항에 있어서,

   상기 제2 보드는 상기 탄성체의 중앙 하부에 결합되는 것을 특징으로 하는 하중 측정 장치.
8. 제4항에 있어서,

   상기 제1 보드 및 상기 제2 보드는 PCB 공법에 의해 제작되는 것을 특징으로 하는 하중 측정 장치.
9. 제4항에 있어서,

   상기 제1 보드 및 상기 제2 보드는 스퍼터링 공법에 의해 제작되는 것을 특징으로 하는 하중 측정 장치.
10. 제3항에 있어서,

    상기 인덕토신은 전자기 유도식 인덕토신 또는 정전 용량식 인덕토신 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 하중 측정 장치.
11. 제1항에 있어서,

    상기 하중 측정 장치는 원통 형태 또는 육면체의 형태이며, 상기 탄성체가 변형할 수 있도록 내부에 중공부가 형성되는 것을 특징으로 하는 하중 측정 장치.
12. 제11항에 있어서,

    상기 탄성체가 가해지는 하중에 민감하게 반응할 수 있도록, 상기 탄성체의 상하부에는 적어도 하나의 변형홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 하중 측정 장치.
13. 제11항에 있어서,

    상기 탄성체가 가해지는 하중에 민감하게 반응할 수 있도록, 상기 탄성체에는 적어도 하나의 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 하중 측정 장치.
14. 제1항에 있어서,

    상기 신호 변환부는,

    상기 제1 보드 또는 상기 제2 보드 중 어느 하나에서 발생되는 유도 전류를 증폭하는 증폭기;

    상기 증폭기에서 출력되는 신호를 DC 신호로 변환하는 AC/DC 신호 컨버터;

    상기 AC/DC 시그널 컨버터에서 출력되는 신호에서 유효한 성분을 추출하기 위해 액티브 필터;

    상기 액티브 필터에서 출력되는 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 하중 측정 장치.
15. 제1항에 있어서,

    상기 하중 계산부는 마이크로 프로세서를 포함하며, 미리 설정된 알고리즘에 따라 상기 신호 변환부에서 출력되는 신호를 이용하여 하중을 계산하는 것을 특징으로 하는 하중 측정 장치.
16. 하중 측정 방법에 있어서,

    탄성체의 상부에 하중을 인가하는 단계;

    변위 센서를 이용하여, 하중에 상응하여 변형되는 상기 탄성체의 변위를 감지하는 단계;

    상기 감지된 변위에 상응하는 감지 신호를 출력하는 단계;

    상기 감지 신호를 증폭하고 디지털 신호로 변환하는 단계; 및

    상기 변환된 디지털 신호를 마이크로 프로세서에 입력하여 미리 설정된 알고리즘에 따라 가해진 하중을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하중 측정 방법.
17. 제16항에 있어서,

    상기 변위 센서는 인덕토신, LVDT, 과전류 변위계, 콘덴서 변위계, 자기 격자 센서, 레이저 센서, 마이크로파 레이더, 플로그래피, 이미지 센서, 지각 변형계, 자기 저항 소자, 반도체 자기 저항 소자, 마그네트론, 열전자 빔관, 자기 다이오드, 광응용 센서, 광 파이버 변위 센서로 이루어진 그룹으로부터 선텍된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 하중 측정 방법.
18. 제17항에 있어서,

    상기 변위 센서는 인덕토신을 포함하며, 탄성체의 변위에 상응하는 유도 전류를 감지 신호로 출력하는 것을 특징으로 하는 하중 측정 방법.
19. 제18항에 있어서,

    상기 변위 센서는,

    고정되어 있으며 전기적인 패턴이 형성되어 있는 제1 보드;

    상기 탄성체의 하부에 결합되어 있으며, 전기적인 패턴이 형성되어 있는 제2 보드를 포함하고,

    상기 탄성체의 변위에 상응하여 상기 제2 보드가 이동하며, 상기 제2 보드의 이동에 따라 상기 제1 보드 또는 상기 제2 보드 중 어느 하나에 유도 전류의 변화가 발생하는 것을 특징으로 하는 하중 측정 방법.
20. 제19항에 있어서,

    상기 제1 보드 및 상기 제2 보드는 PCB 공법에 의해 제작되는 것을 특징으로 하는 하중 측정 방법.