KR20100002489A - Testing apparatus of load and testing method using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 시편에 하중을 인가하여 시편에 대한 인장시험, 압축시험, 반복진동시험, 박막박리시험 등을 수행하는 하중시험장치에 관한 것이다.The present invention relates to a load test apparatus for applying a load to a specimen to perform a tensile test, compression test, cyclic vibration test, thin film peeling test, and the like.
일반적으로, 마이크로 단위의 재료에 대한 인장시험 및 압축시험, 반복진동시험, 박막박리시험 등을 수행하기 위한 마이크로 하중시험장치는 미세구동을 위해 압전구동기와 같은 고가의 이송장치와 변위센서를 구비하고, 미세하중을 측정하기 위해 로드셀과 같은 고가의 하중센서를 구비하고 있다.In general, micro load test apparatus for performing tensile test, compression test, cyclic vibration test, thin film peeling test, etc. for micro-unit materials is equipped with expensive transfer device such as piezoelectric actuator and displacement sensor for fine driving. In order to measure the micro load, an expensive load sensor such as a load cell is provided.
그러나, 종래의 하중시험장치는 고가의 이송장치와 이를 측정하기 위한 변위센서 및 하중센서를 구비함으로써 장비가 복잡하고, 부피가 크며, 가격이 고가인 문제점이 있다.However, the conventional load test apparatus has a problem that the equipment is complicated, bulky, and expensive by providing an expensive transfer device and a displacement sensor and a load sensor for measuring the same.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 구조가 간단한 보이스코일모터의 구동력을 이용하여 시편에 하중을 가하면서 인가되는 전류량에 따른 보이스코일모터의 변위량과 보이스코일모터에 탄성복원력을 제공하는 탄성부재의 탄성계수와의 상관관계로부터 미세하중을 계산함으로써, 로드셀과 같은 고가의 하중센서를 이용하지 않고 마이크로 단위의 재료에 대한 시험을 수행할 수 있는 마이크로 하중시험장치를 제공하는 데에 있다.The present invention is to solve the above problems, an object of the present invention to the displacement of the voice coil motor and the voice coil motor according to the amount of current applied while applying the load to the specimen using the driving force of the simple structure of the voice coil motor. By calculating the micro load from the correlation with the elastic modulus of the elastic member that provides the elastic restoring force, there is provided a micro load test apparatus that can perform the test on the material in micro units without using an expensive load sensor such as a load cell. It's there.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 하중시험장치는 전원의 인가에 따라 직선형으로 이동하는 가동자를 포함하는 보이스코일모터와, 가동자와 연결되는 탄성부재와, 가동자 또는 탄성부재에 고정되고 시편을 향하여 연장되는 탐침과, 보이스코일모터의 변위를 감지하는 감지센서를 포함하여 구성될 수 있다.Micro load test apparatus according to the present invention for achieving the above object is a voice coil motor including a mover moving in a linear form according to the application of power, an elastic member connected to the mover, and fixed to the mover or elastic member And a probe extending toward the specimen, and a sensing sensor for detecting displacement of the voice coil motor.
여기에서, 탄성부재는 가동자의 이동방향으로의 적어도 하나의 측면에 부착되는 판스프링으로 이루어지는 것이 그 구조를 단순화하는 데에 바람직하다.Here, it is preferable for the elastic member to consist of a leaf spring attached to at least one side in the moving direction of the mover to simplify its structure.
감지센서는 레이저광을 조사하는 발광부와, 시편으로부터 반사되는 레이저광을 수광하는 수광부를 포함하여 구성될 수 있다.The sensing sensor may include a light emitting unit for irradiating laser light and a light receiving unit for receiving laser light reflected from the specimen.
또한, 상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 하중시험장치를 이용한 시험방법은, 전원의 인가에 따라 직선형으로 이동하는 가동자 를 포함하는 보이스코일모터와, 가동자와 연결되는 탄성부재를 포함하는 하중시험장치에 있어서, 시편이 없는 경우의 인가 전류량의 변화에 따른 보이스코일모터의 변위량(d)의 변화에 대한 데이터를 산출하는 제1단계와, 시편에 하중을 가하면서, 보이스코일모터에 인가되는 전류량(i) 및 보이스코일모터의 변위량(d1)을 측정하는 제2단계와, 제1단계에서 산출된 데이터와 제2단계에서의 전류량(i) 및 제2단계에서의 보이스코일모터의 변위량(d1)으로부터 시편의 존재로 인하여 변위하지 못한 보이스코일모터의 변위량(d2)을 산출하는 제3단계와, 제3단계에서 산출한 보이스코일모터의 변위량(d2), 보이스코일모터의 모터상수(Ke) 및 탄성부재의 탄성계수(Ks)를 이용하여 시편에 인가하는 하중을 측정하는 제4단계를 포함하여 구성될 수 있다.In addition, the test method using a micro load test apparatus according to the present invention for achieving the above object of the present invention, the voice coil motor including a mover moving in a linear form according to the application of a power source, and is connected to the mover In the load test apparatus including the elastic member, the first step of calculating data on the change in displacement amount (d) of the voice coil motor according to the change in the amount of applied current in the absence of the specimen, while applying a load to the specimen, The second step of measuring the current amount (i) applied to the voice coil motor and the displacement amount (d1) of the voice coil motor, the data calculated in the first step and the current amount (i) in the second step and the second step A third step of calculating the displacement amount d2 of the voice coil motor which cannot be displaced due to the presence of the specimen from the displacement amount d1 of the voice coil motor, the displacement amount d2 of the voice coil motor calculated in the third step, Devices coil using a modulus (Ks) of the motor constant (Ke) and the elastic member of the motor may be configured to include a fourth step of measuring the load applied to the specimen.
본 발명에 따른 마이크로 하중시험장치는 구조가 간단한 보이스코일모터의 구동력을 이용하여 시편에 하중을 가하면서 인가되는 전류량에 따른 보이스코일모터의 변위량과 보이스코일모터에 탄성복원력을 제공하는 탄성부재의 탄성계수와의 상관관계로부터 미세하중을 계산함으로써, 로드셀과 같은 고가의 하중센서를 이용하지 않고 마이크로 단위의 재료에 대한 인장시험, 압축시험, 반복진동시험, 박막박리시험 등을 수행할 수 있다.Micro load test apparatus according to the present invention is the elasticity of the elastic member for providing the elastic restoring force to the voice coil motor and the displacement amount of the voice coil motor according to the amount of current applied while applying the load to the specimen using the driving force of the simple voice coil motor By calculating the micro loads from the correlation with the coefficients, it is possible to perform tensile tests, compression tests, cyclic vibration tests, thin film peel tests, etc. on micro-materials without using expensive load sensors such as load cells.
따라서, 본 발명에 따른 마이크로 하중시험장치는 그 구조를 간단하게 하여 장치를 소형화할 수 있으며, 장치의 재료비를 절감할 수 있는 효과가 있다.Therefore, the micro load test apparatus according to the present invention can simplify the structure and reduce the size of the device, and can reduce the material cost of the device.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 하중시험장치의 바람직한 실 시예에 대하여 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a preferred embodiment of the load test apparatus according to the present invention.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 하중시험장치는, 시편(1)이 안착되는 시편테이블(2)과, 시편테이블(2)을 이송시키는 테이블이송장치(3)와, 시편테이블(2)의 대향측에 배치되어 시편(1)에 대하여 외부하중을 인가하고 측정하는 측정모듈(4)과, 시편테이블(2)의 일측에 위치되고 측정모듈(4)이 장착되는 측정모듈장착장치(5)를 포함하여 구성될 수 있다.As shown in Figure 1 and 2, the micro load test apparatus according to the present invention, the specimen table (2) on which the specimen (1) is seated, the table transfer device (3) for conveying the specimen table (2) and
테이블이송장치(3)는 시편테이블(2)을 3축으로 이송시킬 수 있도록, X축 이송부(31), Y축 이송부(32) 및 Z축 이송부(33)를 포함하여 구성될 수 있다. 이에 따라, 시편테이블(2)을 이송시켜 시편(1)을 측정모듈(4)의 측정위치로 이송할 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 측정모듈장착장치(5)에 측정모듈(4)을 적어도 1축 이상으로 이송할 수 있는 구성을 적용할 수 있다. 테이블이송장치(3)는 자동식 또는 수동식이 적용될 수 있다.The
측정모듈(4)은, 하우징(41)의 내부에 배치되는 가동자(421) 및 가동자(421)의 주위에서 가동자(421)로부터 소정의 거리로 이격되도록 배치되는 고정자(422)를 포함하는 보이스코일모터(42)와, 보이스코일모터(42)의 가동자(421)에 고정되고 시편테이블(2)을 향하여 연장되어 시편(1)을 가압하는 탐침(43)과, 하우징(41)에 고정되어 보이스코일모터(42)에 탄성복원력을 부여하는 탄성부재(44)와, 보이스코일모터(42)로부터 소정의 거리만큼 이격되도록 설치되어 보이스코일모터(42)의 이동변위를 감지하는 감지센서(45)를 포함하여 구성된다.The
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 보이스코일모터(42)의 가동자(421)는, 중 앙의 메인바디(423)와, 메인바디(423)로부터 연장되고 코일(425)이 권선되며 고정자(422)로부터 소정의 갭을 두고 배치되는 캐리어(424)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 메인바디(423)와 코일(425)의 사이에는 고정자(422)로부터 연장되는 요크부(426)가 배치될 수 있다.As shown in FIGS. 2 and 3, the
보이스코일모터(42)의 가동자(421)는 원통형으로 형성될 수 있으며, 이에 한정되지 아니하고, 사각형상 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 고정자(422)는 영구자석 또는 전자석으로 이루어질 수 있다.The
보이스코일모터(42)는 가동자(421)의 코일(425)에 전류가 인가되면, 가동자(421)와 고정자(422)의 전자기적 상호작용(플레밍의 왼손법칙)에 의하여, 가동자(421)는 직선형으로 이동할 수 있다.When a current is applied to the
여기에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 가동자(421)의 코일(425)에 인가되는 전류량(i)이 많을수록 가동자(421)의 이동변위(d)(d1)는 커지게 되며, 전류량(i)이 적을수록 가동자(421)의 이동변위(d)(d1)는 줄어들게 된다. 따라서, 코일(425)에 인가되는 전류량(i)을 측정함으로써 가동자의 변위량(d)(d1)값을 계산할 수 있다.Here, as shown in FIG. 4, as the amount of current i applied to the
탐침(43)은 가동자(421)의 중심축과 동축으로 연장되는 것이 바람직하다. 탐침(43)은 가동자(421)의 직선이동에 의하여 그 축방향으로 이동되면서 시편(1)에 직접적인 하중을 인가하는 역할을 수행한다. 본 발명의 실시예에서는 탐침(43)이 가동자(421)에 연결되는 구조가 제시되지만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 탐침(43)이 탄성부재(44)에 고정되는 구조가 적용될 수 있다.The
탄성부재(44)는 하우징(41)의 주위 및 가동자(421)의 메인바디(423)와 연결 되는 판스프링으로 이루어지는 것이 구조를 단순화하는 데에 바람직하다. 또한, 탄성부재(44)는 가동자(421)에 대하여 탄성력을 적절하게 작용할 수 있도록 메인바디(423)의 탐침(43)이 연결되는 일면 또는 그 반대측 일면에 연결되는 것이 바람직하다. 이와 같은 탄성부재(44)는 가동자(421)의 직선이동의 변위에 반비례하는 탄성복원력을 작용하는 역할을 수행한다. 본 발명의 실시예에서는 탄성부재(44)로 판스프링이 적용되는 구성이 제시되지만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 탄성부재(44)로 코일스프링 등 다양한 구성을 갖는 스프링이 적용될 수 있다.The
한편, 탄성부재(44)는 가동자(421)의 탐침(43)이 고정되는 일면 및 그 반대측면, 즉, 가동자(421)의 직선이동방향으로의 전후방측 모두에 연결되는 것이 가동자(421)가 이동변위 시 그 중심축으로부터 소정의 각도로 편심되는 틸팅현상을 방지하는 데에 바람직하다.On the other hand, the
탄성부재(44)의 탄성계수(Ks)는 실험 또는 시뮬레이션 등을 통하여 미리 설정되며, 탄성부재(44)의 탄성계수(Ks)값 및 소정의 인가 전류값(i)에 대한 가동자(421)의 변위량(d)(d1)으로부터 시편(1)에 가하는 하중을 측정할 수 있다.The elastic modulus Ks of the
감지센서(45)는 가동자(421)의 직선형 이동의 변위량을 측정하는 것으로, 가동자(421)의 이동중심축의 연장방향으로 소정의 거리로 이격되어 배치되며, 레이저광을 가동자(421) 또는 탄성부재(44)로 조사하는 발광부 및 가동자(421) 또는 탄성부재(44)로부터 반사되는 레이저광을 수광하는 수광부를 포함하여 구성되는 광센서가 적용될 수 있다. 그러나, 본 발명은 감지센서(45)로 광센서가 적용되는 것에 한정되지 아니하며, 가동자(421) 또는 탄성부재(44)의 미세변위를 측정할 수 있는 다 양한 센서가 적용될 수 있다.The
이하, 도 5 내지 도 7을 참조하여, 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 하중시험장치의 동작 및 시험방법에 대하여 설명한다.5 to 7, the operation and test method of the load test apparatus according to the present invention configured as described above will be described.
먼저, 시편(1)에 대한 하중시험에 앞서, 탄성부재(44)의 탄성계수(Ks)를 실험이나 시뮬레이션에 의하여 측정한다.First, prior to the load test on the specimen (1), the elastic modulus (Ks) of the
그리고, 피시험용 시편(1)의 시험에 대한 최적측정범위내의 탄성부재(44)를 보이스코일모터(42)의 가동자(421)와 결합시킨 조립체와 감지센서(45)를 측정모듈장착장치(5)에 장착한다. 여기에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 탄성부재(44)의 최적범위는 탄성부재(44)에 가하는 힘의 변화에 대한 탄성부재(44)의 이동의 변화를 측정하고, 측정된 데이터로부터 일정한 기울기를 보이는 구간을 최적의 구간을 선정하는 방법을 통하여 구할 수 있다.Then, the assembly and the
그리고, 시편(1)이 없는 경우에서의 인가 전류량(i)의 변화에 따른 보이스코일모터(42)의 변위량(d)의 변화에 대한 데이터를 산출한다(S10). 보이스코일모터(42)의 변위량(d)의 측정은 감지센서(45)이 레이저광을 가동자(421)로 조사하고, 가동자(421)로부터 반사된 레이저광을 수광하는 것을 통하여 측정하게 된다.Then, data about the change in the displacement amount d of the
여기에서, 시편(1)이 있는 경우에는 시편(1)의 반발력에 의하여 보이스코일모터(42)의 변위량이 줄어들게 된다. 시편(1)이 없는 경우의 일정 전류량(i)에 대한 보이스코일모터(42)의 변위를 d라고 하고, 시편(1)이 있는 경우의 일정 전류량(i)에 대한 보이스코일모터(42)의 변위를 d1라고 하며, 시편(1)의 존재로 인하여 보이스코일모터(42)가 이동하지 못하는 변위를 d2라고 할 때, 이 들의 관계식은 아 래의 수학식 1과 같다.Here, when the
탄성부재(44)의 탄성계수(Ks)와 시편(1)이 없는 경우에서의 인가 전류량(i)의 변화에 대한 보이스코일모터(42)의 변위량(d)의 변화의 측정이 완료되면, 시편테이블상(2)에 시편(1)을 안착시킨 후, 측정모듈장착장치(5) 또는 테이블이송장치(3)를 조작하여 측정모듈(4) 또는 시편(1)을 하중시험의 최적위치로 이송한다.When the measurement of the change in the displacement amount d of the
그리고, 보이스코일모터(42)의 가동자(421)에 전원을 인가하면, 가동자(421)가 직선형으로 변위하게 되며, 이에 따라, 가동자(421)와 연결된 탐침(43)이 시편(1)을 향하여 이동하여 시편(1)에 하중을 가하게 된다.Then, when power is applied to the
이와 동시에 가동자(421)의 코일(425)에 인가되는 전류량(i)을 측정하고, 감지센서(45)를 이용하여 보이스코일모터(42)의 변위량(d1)을 측정한다(S20).At the same time, the amount of current i applied to the
그리고, 하중이 가해진 시편(1)이 목표하는 형상으로 변형된 경우, 예를 들어, 시편(1)의 파괴실험의 경우에 시편(1)이 파괴된 경우, 그 순간의 전류량(i) 및 보이스코일모터(42)의 변위량(d1)을 측정하여 시편(1)에 가해진 하중을 계산하고 하중시험을 종료하게 된다(S40).Then, when the loaded
상기와 같이, 가동자(421)의 코일(425)에 인가되는 전류량(i) 및 감지센서(45)에 의하여 감지된 보이스코일모터(42)의 변위량(d1)으로부터 시편(1)에 가하는 하중을 측정할 수 있는데, 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.As described above, the load applied to the
먼저, 탄성부재(44)의 탄성계수를 Fs라고 할 때, 시편이 없는 경우에서의 보 이스코일모터(42)의 인가 전류량(i)에 따른 변위량(d)에 대한 탄성복원력(Fs)는 아래의 수학식 2로부터 구할 수 있다.First, when the elastic modulus of the
또한, 모터상수를 Ke라고 하고, 코일(425)에 인가된 전류를 i라고 할 때, 보이스코일모터(42)의 구동력(Fe)은 아래의 수학식 3으로부터 구할 수 있다.Further, when the motor constant is Ke and the current applied to the
한편, 시편(1)이 없는 경우로서, 전원이 코일(425)에 인가되어 보이스코일모터(42)가 이동된 경우, 보이스코일모터(42)의 구동력(Fe)과 탄성부재(44)의 복원력(Fs)은 서로 평형(Fe=Fs)을 이루게 되므로, 코일(425)에 인가된 전류(i)와 이송변위(d) 사이의 관계는 아래의 수학식 4 및 수학식 5로 표현될 수 있다.On the other hand, when there is no
이와 같은 식으로부터, 시편(1)에 대하여 하중을 가하는 경우에 시편(1)의 반발력에 의하여 보이스코일모터(42)가 이동하지 못하는 변위량(d2)은 아래의 수학식 6으로부터 구할 수 있다.From this equation, the displacement amount d2 at which the
결국, 탄성부재(42)의 탄성복원력(Fs)과 탄성계수(Ks)와의 관계식으로부터 시편(1)에 작용하는 하중(F)은 아래의 수학식 7로부터 구할 수 있다(S40).As a result, the load F acting on the
즉, 시편(1)에 하중이 인가되는 경우에는 시편(1)에서 작용하는 반발력에 의해 코일(425)에 인가된 전류량(i)에 따른 보이스코일모터(42)의 변위량(d1)은 당해 전류량(i)에서 시편(1)이 없는 경우의 보이스코일모터(42)의 변위량(d)에 비하여 줄어들게 되고, 이와 같이 줄어든 변위량(d2)에 대한 힘(F = Ks × d2)이 시편(1)에 인가되는 하중이 된다.That is, when a load is applied to the
도 6은 상기와 같은 각각의 힘의 관계를 나타내는 도면으로, Fe는 코일(425)에 인가된 전류에 의한 힘, 즉, 보이스코일모터(42)의 구동력이고, Fs은 시편(1)에 하중을 인가하는 경우의 보이스코일모터(42)의 변위(d1)에 대한 탄성부재(44)의 복원력이며, F는 시편(1)에 작용하는 인가하중을 나타낸다.FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the respective forces as described above, where Fe is a force due to a current applied to the
이상과 같이, 보이스코일모터(42)에 가하는 전류량(i), 당해 전류량(i)에서 시편(1)이 없는 경우의 보이스코일모터(42)의 변위값(d)과, 당해 전류량(i)에서 시편(1)에 하중을 가하는 경우의 보이스코일모터(42)의 변위량(d1)으로부터 당해 전류량(i)에서의 보이스코일모터(42), 즉, 탐침(43)이 시편(1)에 인가하는 하중을 자동으로 계산함으로써, 시편(1)에 대한 하중시험을 수행할 수 있다.As described above, the current amount i applied to the
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 하중시험장치는 보이스코일모터(42)를 이용하여 시편에 미세하중을 가하고, 보이스코일모터(42)에 인가되는 전류량(i) 및 보이스코일모터(42)의 변위량(d)(d1)으로부터 시편()에 가하는 하중을 계산할 수 있으므로, 마이크로 하중시험장치의 단가를 획기적으로 저감시킬 수 있는 효과가 있다.In the load test apparatus according to the present invention configured as described above, the micro load is applied to the specimen using the
본 발명에 따른 마이크로 하중시험장치는 마이크로 단위 및 밀리미터 단위의 변위를 인가하는 시험장치에 적용이 가능하다.The micro load test apparatus according to the present invention is applicable to a test apparatus for applying displacement in micro units and millimeters.
본 발명은 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 실시예를 통하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described through the embodiments described in the drawings and the detailed description of the invention, this is merely exemplary, and various modifications and equivalent other embodiments are possible to those skilled in the art to which the present invention pertains. . Therefore, the technical protection scope of the present invention will be defined by the appended claims.
도 1은 본 발명에 따른 하중시험장치가 도시된 개략도이다.1 is a schematic view showing a load test apparatus according to the present invention.
도 2는 도 1의 하중시험장치의 보이스코일모터가 도시된 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing the voice coil motor of the load test apparatus of FIG.
도 3은 도 1의 하중시험장치의 보이스코일모터 및 탐침이 도시된 사시도이다.3 is a perspective view illustrating the voice coil motor and the probe of the load test apparatus of FIG. 1.
도 4는 도 1의 하중시험장치의 보이스코일모터로 인가되는 전류량의 변화에 대한 보이스코일모터의 변위량의 변화를 도시한 그래프이다.4 is a graph showing a change in displacement amount of the voice coil motor with respect to a change in the amount of current applied to the voice coil motor of the load test apparatus of FIG. 1.
도 5는 탄성부재에 가하는 힘의 변화에 대한 탄성부재의 변위의 변화를 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing a change in displacement of an elastic member with respect to a change in force applied to the elastic member.
도 6은 본 발명에 따른 하중시험장치에서의 보이스코일모터의 구동력, 탄성부재의 탄성복원력 및 시편의 반발력을 설명하기 위한 설명도이다.6 is an explanatory diagram for explaining the driving force of the voice coil motor, the elastic restoring force of the elastic member and the repulsive force of the specimen in the load test apparatus according to the present invention.
도 7은 본 발명에 따른 하중시험장치를 이용하여 시편에 인가하는 하중을 측정하는 방법이 도시된 순서도이다.7 is a flowchart illustrating a method of measuring a load applied to a specimen using a load test apparatus according to the present invention.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ****** Explanation of symbols for main parts of drawing ***
1: 시편 2: 시편테이블1: Psalm 2: Psalm Table
3: 테이블이송장치 4: 측정모듈3: table feeder 4: measuring module
42: 보이스코일모터 43: 탐침42: voice coil motor 43: probe
44: 탄성부재 45: 감지센서44: elastic member 45: detection sensor
421: 가동자 422: 고정자421: mover 422: stator
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