KR20110046628A - 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조 및 그 구조에 의한 힘 및 모멘트 측정방법 - Google Patents
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- H05K2201/05—Flexible printed circuits [FPCs]
Abstract
본 발명은 스크린인쇄, 연성인쇄회로기판(FPCB, Flexible Printed Circuit Board) 공정 등으로 대량 생산방법을 적용할 수 있어 제작이 용이하고 제작단가가 저렴하며 힘에 의한 신호변화가 수백 Ω단위로 커서 증폭 없이 사용할 수 있는 필름 형태의 단축 힘센서를 이용한 다축 힘센서 구조에 관한 것이다. 이를 위해 특히, 1축 힘의 방향 및 2축 모멘트 방향을 갖는 3축 힘센서 구조에 있어서, 적어도 네 부분의 힘센서 분포를 갖는 제 1힘센서 필름(10); 제 1힘센서 필름(10)을 상부에서 하부로 누르는 누름부재(31) 및 누름부재(31) 상부에 연결되어 누름부재(31)에 외부로부터의 하중을 전달하는 범퍼축(32)으로 구성된 범퍼(30); 누름부재(31)와 제 1힘센서 필름(10) 사이에 위치하는 패드(40); 제 1힘센서 필름(10)의 하부에 위치하여 외력의 작용에 반작용하는 하판(50); 및 하판(50)과 가장자리에서 접하고 범퍼축(32)의 상단을 외부로 돌출시키기 위한 제 1홀(61)과 제 1힘센서 필름(10)과 연결되는 신호 입출력선을 인출하는 제 2홀(62)이 형성되어 있으며 범퍼(30)의 상부에서 제 1힘센서 필름(10) 및 범퍼(30)를 함입하는 상판(60);을 포함하는 것을 특징으로 하는 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조가 개시된다.
힘센서, 단축/다축 로드셀, 스트레인 게이지, 힘, 모멘트, 접촉저항 방식 센 서, 정전용량 방식 센서, 압전소자 방식 센서
Description
본 발명은 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조 및 그 구조에 의한 힘 및 모멘트 측정방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 힘센서 분포를 갖는 단축 힘센서 필름을 이용하여 3축의 힘 및 모멘트에 대응하는 신호를 생성하는 3축 힘센서 구조 및 그 구조에 의해 3축의 힘 및 모멘트를 측정하는 방법에 관한 것이다.
기존 단축/다축 로드셀은 스트레인 게이지를 이용한 로드셀이 주를 이룬다. 하지만 스트레인 게이지는 사람이 부착하기 때문에 제작단가가 개당 10만원 이상으로 비싸고 수작업을 통한 제작이 주를 이루어 대량 생산이 어려운 단점이 있다.
또한 제작된 로드셀의 편차가 상당이 크며 힘에 의해 변화되는 저항이 1 ~ 2 Ω 정도로 그 범위가 매우 좁아 신호변화가 크지 않으므로 신호처리부 제작이 고가이고 부피가 큰 단점도 있다. 예를 들어 3축의 힘 및 모멘트를 처리함에 있어서 신호 처리부는 1축당 100만원으로서 총 300만원의 비용이 들게 된다.
이러한 단점으로 인해 로드셀의 응용분야가 다양함에도 그 접근이 용이하지 않은 것이 현실이며, 따라서 기존의 단축/다축 로드셀을 대체할 수 있도록 제조가 용이하고 대량 생산이 가능한 새로운 형태의 단축/다축 로드셀의 필요성이 대두된다.
최근에는 스트레인게이지가 아닌 소형 압력센서와 압력전달용 액체 및 겔을 결합하는 감지부를 이용하여 힘센서를 제작하고 있으나 감지부를 밀봉상태로 만들어야 되기 때문에 감지부 설계 및 제작이 복잡한 단점을 가지고 있다. 또한 본 구조의 경우 압축시에는 신뢰성이 어느 정도 보장되나 인장시에도 감지부가 신뢰성이 보장되지 않고 있다. 더구나 액체 및 겔을 사용할 경우 단순 인장은 측정할 수 있으나 모멘트 측정은 어려운 문제점을 가지고 있다. 따라서 감지부가 인장과 압축에 내구성이 뛰어나기 위해서는 멤브레인 형태의 감지부가 요구된다. 그러나 멤브레인 형태의 경우 큰 하중범위에서는 변형이 크나 작은 하중범위에서는 변형이 작아 필름 형태의 힘센서를 이용하는 민감도가 떨어지는 문제가 발생하여 단축/다축 힘센서로 구조로 적합하지 않다. 따라서 필름 형태의 힘센서를 이용하여 단축/다축 힘센서로 이용하기 위해서는 힘의 손실을 줄이면서 외부 구조물과의 체결이 쉬운 인장과 압축에 강한 새로운 감지부가 필요하다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 필요에 의하여 안출된 것으로서, 본 발명의 제 1목적은 접촉저항 방식, 정전용량 방식 및 압전소자 방식과 같은 제작이 용이하고 제작단가가 저렴한 필름 형태의 단축 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조 및 그 구조에 의한 힘 및 모멘트 측정방법을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 제 2목적은 스크린인쇄, 연성인쇄회로기판(FPCB, Flexible Printed Circuit Board) 공정 등 대량 생산방법이 적용가능하고 측정 편차가 상당히 작으며 신호변화가 큰 필름 형태의 단축 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조 및 그 구조에 의한 힘 및 모멘트 측정방법을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 제 3목적은 신호처리가 간단하며 이로 인해 소형화할 수 있는 필름 형태의 단축 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조 및 그 구조에 의한 힘 및 모멘트 측정방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 1축 힘의 방향 및 2축 모멘트 방향을 갖는 3축 힘센서 구조에 있어서, 적어도 네 부분의 힘센서 분포를 갖는 제 1힘센서 필름(10); 제 1힘센서 필름(10)을 상부에서 하부로 누르는 누름부재(31) 및 누름부재(31) 상부에 연결되어 누름부재(31)에 외력을 전달하는 범퍼축(32)으로 구성된 범퍼(30); 누름부재(31)와 제 1힘센서 필름(10) 사이에 위치하는 패드(40); 제 1힘센서 필름(10)의 하부에 위치하여 외력의 작용에 반작용하는 하판(50); 및 하 판(50)과 가장자리에서 접하고 범퍼축(32)의 상단을 외부로 돌출시키기 위한 제 1홀(61)과 제 1힘센서 필름(10)과 연결되는 신호 입출력선을 인출하는 제 2홀(62)이 형성되어 있으며 범퍼(30)의 상부에서 제 1힘센서 필름(10) 및 범퍼(30)를 함입하는 상판(60);을 포함하는 것을 특징으로 하는 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조를 제공함으로써 달성될 수 있다.
그리고 상판(60) 및 하판(50)은 금속 또는 고분자 물질로 제조된 것이 바람직하다.
또한 제 1힘센서 필름(10)은 서로 직교하는 방향으로 각 방향에 대응하는 최소한 네 부분 이상의 힘센서 분포를 갖는 것일 수 있다.
제 1힘센서 필름(10)은 접촉저항형의 필름, 정전용량형의 필름 및 압전필름 중 어느 하나의 필름인 것이 바람직하다.
범퍼(30)의 소재는 금속 또는 고분자 물질인 것이 바람직하다.
패드(40)는 실리콘 패드(40) 또는 고분자 패드(40)인 것일 수 있다.
상판(60)은 가장자리에서 하판(50) 가장자리에 형성된 다수의 나사홀(51)과 볼트(52) 결합되거나 하판(50)과 접하는 부위에 접착제로 접착되는 것이 바람직하다.
또한 상판(60)은 누름부재(31) 및 범퍼축(32)과 맞춤되는 오목구조를 가지되, 누름부재(31) 외측의 수직면은 대면하는 상판(60) 내측의 수직면과 제 1갭(71)을 형성하고 범퍼축(32) 외측의 수직면은 대면하는 상판(60) 내측의 수직면과 제 2갭(72)을 형성하며, 상판(60) 내측 수평면과 대면하는 누름부재(31) 외측의 수평면 은 상판(60) 내측의 수평면과 제 3갭(73)을 형성하는 것이 바람직하다.
제 1갭(71) 및 제 2갭(72)에 대응하는 거리는 0.1 mm 이상인 것이 바람직하다.
제 3갭(73)에 대응하는 거리는 0.1 mm 이상인 것이 바람직하다.
또한 제 1힘센서 필름은 누름부재(31)의 하면과 맞춤되어 크기가 동일한 것이 바람직하다.
상판(60)과 누름부재(31)의 상면 사이에 위치하며 적어도 네 부분의 힘센서 분포를 갖는 제 2힘센서 필름(20)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
제 2힘센서 필름(20)은 서로 직교하는 방향으로 각 방향에 대응하는 네 부분의 힘센서 분포를 가지며, 제 1힘센서 필름(10)과 제 2힘센서 필름(20)은 상하로 동일한 힘센서 분포를 갖는 것이 바람직하다.
한편 본 발명의 목적은 다른 카테고리로서, 상판(60)에 형성된 제 1홀(61)을 통해 외부로 노출된 범퍼축(32)이 외력을 전달받는 제 1전달단계(S100); 범퍼축(32)과 연결된 누름부재(31)가 범퍼축(32)으로부터 외력을 전달받는 제 2전달단계(S110); 누름부재(31) 하부에 위치한 적어도 네 부분의 힘센서 분포를 갖는 제 1힘센서 필름(10)이 외력을 전달받는 제 3전달단계(S120); 각 힘센서가 외력의 분력에 대응하는 각 전기 신호를 출력하는 단계(S130); 연산수단이 제 1힘센서 필름(10)과 연결된 신호 입출력선을 통해 각 전기 신호를 입력받는 단계(S140); 및 연산수단이 각 전기 신호에 기초하여 외력에 의한 1축 힘과 2축 모멘트를 산출하는 단계(S150);를 포함하는 것을 특징으로 하는 3축 힘센서 구조에 의한 힘 및 모멘트 측정방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.
그리고 연산수단의 1축 힘 산출단계(S150)는, 연산수단이 다음의 수학식
Fz = F1 + F2 + F3 + F4
(여기서 Fz는 범퍼축(32)의 축 방향의 힘크기이며, F1, F2, F3, F4는 각 힘센서에 작용하는 분력의 크기)
에 기초하여 Fz 크기를 산출하는 단계;인 것이 바람직하다.
연산수단의 2축 모멘트 산출단계(S150)는, 연산수단이 다음의 수학식
Mx = (F4-F2)a, My = (F1-F3)b
(여기서, Mx는 임의의 x축을 중심으로 하는 모멘트 크기이고, F4 및 F2는 제 1힘센서 필름(10)상의 범퍼축(32) 중심에 대칭하여 분포하는 제 4힘센서(14)와 제 2힘센서(12)에 작용하는 분력의 크기, a는 범퍼축(32) 중심과 제 2힘센서(12) 간의 거리이며,
My는 x축에 수직하는 y축을 중심으로 하는 모멘트 크기이고, F1 및 F3는 제 4힘센서(14)와 제 2힘센서(12)를 잇는 선에 수직으로 범퍼축(32) 중심에 대칭하여 분포하는 제 1힘센서(11)와 제 3힘센서(13)에 작용하는 분력의 크기, b는 범퍼축(32) 중심과 제 1힘센서(11) 간의 거리임)
에 기초하여 Mx 크기 및 My 크기를 산출하는 단계;인 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 목적은, 상판(60)에 형성된 제 1홀(61)을 통해 외부로 노출 된 범퍼축(32)이 외력을 전달받는 제 1전달단계(S200); 범퍼축(32)과 연결된 누름부재(31)가 범퍼축(32)으로부터 외력을 전달받는 제 2전달단계(S210); 누름부재(31) 하부에 위치한 적어도 네 부분의 힘센서 분포를 갖는 제 1힘센서 필름(10) 및 누름부재(31) 상부에 위치하면서 제 1힘센서 필름(10)과 동일한 부분에 힘센서 분포를 갖는 제 2힘센서 필름(20)이 외력을 전달받는 제 3전달단계(S220); 제 1힘센서 필름(10)의 각 힘센서 및 제 2힘센서 필름(20)의 각 힘센서가 외력의 분력에 대응하는 각 전기 신호를 출력하는 단계(S230); 소정 연산수단이 제 1힘센서 필름(10) 및 제 2힘센서 필름(20)과 연결된 신호 입출력선을 통해 각 전기 신호를 입력받는 단계(S240); 및 연산수단이 각 전기 신호에 기초하여 외력에 의한 1축 힘과 2축 모멘트를 산출하는 단계(S250);를 포함하는 것을 특징으로 하는 3축 힘센서 구조에 의한 힘 및 모멘트 측정방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.
외력은 범퍼축(32)에 대한 압축력 또는 인장력이며,
연산수단의 1축 힘 산출단계(S250)는, 연산수단이 다음의 수학식
F-z = F1 + F2 + F3 + F4 , F+z = F5 + F6 + F7 + F8
(여기서 F-z는 범퍼축(32)의 압축 방향의 힘크기이고 F1, F2, F3, F4는 제 1힘센서 필름(10)상의 각 힘센서에 작용하는 분력의 크기이며, F+z는 범퍼축(32)의 인장 방향의 힘크기이고 F5, F6, F7, F8는 제 2힘센서 필름(20)상의 각 힘센서에 작용하는 분력의 크기임)
에 기초하여 F-z 크기 또는 F+z 크기를 산출하는 단계;인 것이 바람직하다.
외력은 범퍼축(32)에 대한 압축력 또는 인장력이며,
연산수단의 2축 모멘트 산출단계(S250)는, 연산수단이 다음의 수학식
Mx = (F4-F2)a + (F6-F8)a, My = (F1-F3)a + (F7-F5)a
(여기서, Mx는 임의의 x축을 중심으로 하는 모멘트의 크기이고, F1, F2, F3 및 F4는 제 1힘센서 필름(10)상에 범퍼축(32)을 중심으로 90°사이 각을 가지고 범퍼축(32) 중심으로부터 등 거리 a로 분포하는 제 1힘센서(11), 제 2힘센서(12), 제 3힘센서(13) 및 제 4힘센서(14)에 작용하는 분력의 크기이며,
My는 x축에 수직하는 y축을 중심으로 하는 모멘트의 크기이고, F5, F6, F7 및 F8은 제 2힘센서 필름(20)상에 범퍼축(32)을 중심으로 90°사이 각을 가지고 범퍼축(32) 중심으로부터 등 거리 a로 분포하고 제 1힘센서(11), 제 2힘센서(12), 제 3힘센서(13) 및 제 4힘센서(14)와 상하로 대응하는 제 5힘센서(21), 제 6힘센서(22), 제 7힘센서(23) 및 제 8힘센서(24)에 작용하는 분력의 크기임)
에 기초하여 Mx 크기 및 My 크기를 산출하는 단계;인 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 필름 형태의 단축 힘센서를 이용한 다축 힘센서 구조는 접촉저항 방식, 정전용량 방식 및 압전소자 방식과 같은 제조 방법에 의하므로 제작이 용이하며 제작단가가 저렴한 장점이 있다.
스크린인쇄, FPCB(Flexible Printed Circuit Board) 공정 등 대량 생산방법 을 통하기 때문에 편차가 상당히 작으며 힘에 의한 신호변화가 수백 Ω단위로 커서 증폭없이 사용할 수 있는 효과가 있다.
또한 신호처리가 간단하며 이로 인해 소형화할 수 있는 장점도 있다.
<제
1실시예
>
도 1은 본 발명의 제 1실시예의 일 구성인 제 1힘센서 필름(10)의 힘센서 분포를 나타낸 평면도이다. 힘센서(11, 12, 13, 14) 분포를 갖는 제 1힘센서 필름(10)은 본 발명에서 1축 힘 및 2축 모멘트에 대응하는 각각의 전기 신호를 생성하고 소정의 연산수단(미도시)에 출력하기 위해 필요한 구성이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제 1힘센서 필름(10)은 적어도 네 부분의 힘센서 (11, 12, 13, 14) 분포를 갖는다. 이러한 힘센서(11, 12, 13, 14)는 제 1힘센서 필름(10)상에서 서로 직교하는 방향(임의의 방향 ±x축과 이에 수직하는 ±y축)으로 각 방향에 대응하는 네 부분(±x축과 ±y축의 직교점으로부터 거리 a 및 b 인 부분)에 분포하도록 하여 후술할 3축의 힘 및 모멘트를 측정하게 된다. 다만 이러한 힘센서(11, 12, 13, 14) 분포는 균일하게 네 부분 이상을 분포시킴으로써 구현할 수도 있다.
제 1힘센서 필름(10)은 접촉저항 방식으로 제조된 필름, 정전용량 방식으로 제조된 필름 및 압전 방식으로 제조된 필름 중 어느 하나의 필름을 사용할 수 있다.
도 2는 본 발명인 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조의 제 1실시예를 하방으 로 바라본 상태를 나타낸 분해사시도이고, 도 3은 제 1실시예를 상방으로 바라본 상태를 나타낸 분해사시도이다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1실시예는 힘센서 분포를 갖는 제 1힘센서 필름(10), 누름부재(31) 및 누름부재(31) 상부에 연결된 범퍼축(32)으로 구성되는 범퍼(30), 제 1힘센서 필름(10)을 보호하는 패드(40), 범퍼(30)와 제 1힘센서 필름(10)의 함체로 역할하는 하판(50)과 상판(60)으로 구성된다. 여기에 하판(50)과 상판(60)을 결합하기 위한 볼트가 더 포함될 수 있다.
본 발명의 제 1실시예는 외력에 대응하는 압축력을 범퍼(30)로 전달받아 제 1힘센서 필름(10)에 분포하는 힘센서(11, 12, 13, 14)에 전달하고, 이어서 각 힘센서(11, 12, 13, 14)에서 발생하는 전기 신호를 외부의 연산수단(미도시)으로 출력하여 이를 기초로 힘 및 모멘트를 도출할 수 있는 장치이다.
제 1힘센서 필름(10)의 구성에 대해서는 도 1에서 상술한 바와 같다.
범퍼(30)는 제 1힘센서 필름(10)을 상부에서 하부로 누르는 누름부재(31) 및 누름부재(31) 상부에 연결되어 누름부재(31)에 외력을 전달하는 범퍼축(32)으로 구성된다. 제 1힘센서 필름(10)은 누름부재(31)의 하면과 맞춤되어 크기가 동일한 것이 바람직하다. 그리고 범퍼(30)의 누름부재(31) 및 범퍼축(32)은 일체로서 제작되며, 강성이 큰 금속(예: 강철, 알루미늄 또는 황동)으로 다이캐스팅하여 제작되거나 고강도 플라스틱과 같은 고분자의 사출 성형으로 제작될 수 있다.
패드(40)는 누름부재(31)와 제 1힘센서 필름(10) 사이에 위치하여 외부에서 가해지는 충격으로부터 제 1힘센서 필름(10)을 보호하는 역할을 한다. 패드(40)는 고분자 소재의 패드를 사용하거나 강성이 작은 실리콘을 사용하여 제작될 수 있다.
하판(50)은 제 1힘센서 필름(10)의 하부에 위치하여 외력의 작용에 반작용하는 역할을 하며, 상판(60)과 결합함으로써 내부에 제 1힘센서 필름(10) 및 범퍼(30)를 함입하는 함체로서의 역할도 한다. 또한 하판(50)은 상판(60)과의 결합을 위해 나사가 형성된 다수의 나사홀(51)이 있으며 이는 상판(60)의 나사홈(63)과 동일 선상에서 볼트(52)로 체결되기 위한 구조이다.
상판(60)은 하판(50)과 가장자리에서 접하고 범퍼축(32)의 상단을 외부로 돌출시키기 위한 제 1홀(61)과 제 1힘센서 필름(10)과 연결되는 신호 입출력선(미도시)을 인출하는 제 2홀(62)이 형성되어 있으며 범퍼(30)의 상부에서 제 1힘센서 필름(10) 및 범퍼(30)를 함입한다. 제 2홀(62)의 경우 그 자체로서 상판(60) 측면에 형성될 수도 있으나 제 1실시예와 같이 하판(50)과의 결합으로 형성되는 제 2홀(62)일 수 있다. 하판(50)과 상판(60)은 결합시 접착력을 높이기 위해 상술한 볼트(25) 결합 이외에 접착면을 접착제로 결합한다. 접착제로는 에폭시 수지 등의 합성 수지가 사용될 수 있다.
그리고, 하판(50)과 상판(60) 모두는 강성이 큰 금속(예: 강철, 알루미늄 또는 황동)으로 다이캐스팅하여 제작되거나 고강도 플라스틱과 같은 고분자의 사출 성형으로 제작될 수 있다.
도 4는 본 발명인 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조의 제 1실시예의 각 구성이 결합된 상태의 정단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상판(60)은 내부가 누름부재(31) 및 범퍼축(32)과 맞춤되는 오목구조를 가지며 누름부재(31) 외측의 수 직면은 대면하는 상판(60) 내측의 수직면과 0.1 mm 정도 이상의 제 1갭(71)을 형성하고 범퍼축(32) 외측의 수직면은 대면하는 상판(60) 내측의 수직면과 0.1 mm 정도 이상의 제 2갭(72)을 형성한다. 그리고 상판(60) 내측 수평면과 대면하는 누름부재(31) 외측의 수평면은 상판(60) 내측의 수평면과 0.1 mm 정도 이상의 제 3갭(73)을 형성한다. 이러한 제 1갭(71), 제 2갭(72) 및 제 3갭(73)은 결합되는 상판(60)과 범퍼(30) 사이에서의 마찰을 피하고 힘 및 모멘트를 정확히 측정하기 위함이다.
<제
2실시예
>
도 5는 본 발명인 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조의 제 2실시예를 하방으로 바라본 상태를 나타낸 분해사시도이다. 제 2실시예는 제 1실시예의 구성과 비교하여 제 2힘센서 필름(20) 및 이를 보호하기 위한 패드(41)가 추가되는 것을 제외하고는 동일하다. 도 5를 참조하여 제 1실시예와 다른 제 2실시예 구성에 대해 설명하면, 제 2힘센서 필름(20)이 상판(60)과 누름부재(31)의 상면 사이에 위치하며 제 2힘센서 필름(20)은 적어도 네 부분의 힘센서 분포를 갖는다. 다만, 힘 및 모멘트 측정을 위해 제 1힘센서 필름(10)과 상하로 동일한 위치에 동일한 힘센서 분포를 가지게 된다.
그리고 제 2실시예의 경우, 제 1힘센서 필름(10) 및 제 2힘센서 필름(20)은 모두 동일하게 서로 직교하는 방향으로 각 방향에 대응하는 네 부분의 힘센서 분포를 갖는데, 이에 대한 구체적인 내용은 도 7에서 힘 및 모멘트 측정방법과 함께 설명한다.
<1축 힘 및 2축 모멘트 측정방법>
<제
1실시예의
측정방법>
도 6은 본 발명인 제 1실시예에 의한 1축 힘 및 2축 모멘트 측정방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다. 도 6을 참조하면, 우선 상판(60)에 형성된 제 1홀(61)을 통해 외부로 노출된 범퍼축(32)이 외력을 수신한다(S100).
다음, 범퍼축(32)과 연결된 누름부재(31)가 범퍼축(32)으로부터 힘을 수신한다(S110).
다음, 누름부재(31) 하부에 위치한 적어도 네 부분의 힘센서 분포를 갖는 제 1힘센서 필름(10)이 힘을 수신한다(S120).
다음, 각 힘센서가 힘의 분력에 대응하는 각 전기 신호를 출력한다(S130).
다음, 소정 연산수단(미도시)이 제 1힘센서 필름(10)과 연결된 신호 입출력선을 통해 각 전기 신호를 입력받는다(S140).
다음, 연산수단이 각 전기 신호에 기초하여 외력에 의한 1축 힘과 2축 모멘트를 산출함으로써(S150) 3축 힘센서 구조에 의한 힘 및 모멘트 측정방법이 수행된다.
여기서 연산수단의 1축 힘 산출단계(S150)는, 연산수단이 다음의 수학식 1
(여기서 Fz는 범퍼축(32)의 축 방향의 힘크기이며, F1, F2, F3, F4는 각 힘센서에 작용하는 분력의 크기)
에 기초하여 Fz 크기를 산출한다.
그리고, 연산수단의 2축 모멘트 산출단계(S150)는, 연산수단이 다음의 수학식 2 및 수학식 3
(여기서, Mx는 임의의 x축을 중심으로 하는 모멘트 크기이고, F4 및 F2는 제 1힘센서 필름(10)상의 범퍼축(32) 중심에 대칭하여 분포하는 제 4힘센서(14)와 제 2힘센서(12)에 작용하는 분력의 크기, a는 범퍼축(32) 중심과 제 2힘센서(12) 간의 거리임)
(여기서, My는 x축에 수직하는 y축을 중심으로 하는 모멘트 크기이고, F1 및 F3는 제 4힘센서(14)와 제 2힘센서(12)를 잇는 선에 수직으로 범퍼축(32) 중심에 대칭하여 분포하는 제 1힘센서(11)와 제 3힘센서(13)에 작용하는 분력의 크기, b는 범퍼축(32) 중심과 제 1힘센서(11) 간의 거리임)
에 기초하여 Mx 크기 및 My 크기를 산출한다.
<제
2실시예의
측정방법>
도 7은 본 발명의 제 2실시예의 일 구성인 제 1힘센서 필름(10)과 제 2힘센 서 필름(20)의 힘센서 분포 및 상호 위치관계를 나타낸 사시도이다. 도 7을 참조하면, 본 발명에서 제 1힘센서 필름(10)과 제 2힘센서 필름(20)은 각각 네 부분 이상의 힘센서 분포를 가질 수 있지만, 제 2실시예는 각 필름(10, 20)이 네 부분의 힘센서 분포를 가지는 경우를 상정한 것이다.
제 2실시예의 구성인 제 1힘센서 필름(10)과 제 2힘센서 필름(20)은 각각의 필름상에서 서로 수직하는 네 방향에 대응하는 네 부분에 힘센서(11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) 분포를 가진다. 다만, 압축력 및 인장력에 대응하여 힘센서가 출력하는 각 전기 신호는 서로 상쇄되는 힘의 차연산(예: 힘센서(11)에 작용하는 F1의 압축력과 힘센서(15)에 작용하는 F5의 인장력의 차연산은 F1-F5 로 계산됨)에 해당하므로 상하로 동일한 위치에 힘센서 분포를 가져야 한다.
도 8은 본 발명인 제 2실시예에 의한 1축 힘 및 2축 모멘트 측정방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다. 도 7을 참조하면, 우선 상판(60)에 형성된 제 1홀(61)을 통해 외부로 노출된 범퍼축(32)이 외력을 수신한다(S200).
다음, 범퍼축(32)과 연결된 누름부재(31)가 범퍼축(32)으로부터 외력을 수신한다(S210).
다음, 누름부재(31) 하부에 위치한 적어도 네 부분의 힘센서 분포를 갖는 제 1힘센서 필름(10) 및 누름부재(31) 상부에 위치하면서 제 1힘센서 필름(10)과 동일한 부분에 힘센서 분포를 갖는 제 2힘센서 필름(20)이 외력을 수신한다(S220).
다음, 제 1힘센서 필름(10)의 각 힘센서 및 제 2힘센서 필름(20)의 각 힘센서가 외력의 분력에 대응하는 각 전기 신호를 출력한다(S230).
다음, 소정 연산수단이 제 1힘센서 필름(10) 및 제 2힘센서 필름(20)과 연결된 신호 입출력선을 통해 각 전기 신호를 입력받는다(S240).
다음, 연산수단이 각 전기 신호에 기초하여 외력에 의한 1축 힘과 2축 모멘트를 산출함으로써(S250) 3축 힘센서 구조에 의한 힘 및 모멘트 측정방법이 수행된다.
여기서 외력은 범퍼축(32)에 대한 압축력 또는 인장력일 수 있으며,
연산수단의 1축 힘 산출단계(S250)는, 연산수단이 다음의 수학식 4 및 수학식 5
(여기서 F-z는 범퍼축(32)의 압축 방향의 힘크기이고 F1, F2, F3, F4는 제 1힘센서 필름(10)상의 각 힘센서에 작용하는 분력의 크기이며, F+z는 범퍼축(32)의 인장 방향의 힘크기이고 F5, F6, F7, F8는 제 2힘센서 필름(20)상의 각 힘센서에 작용하는 분력의 크기임)
에 기초하여 F-z 크기 또는 F+z 크기를 산출한다.
그리고, 외력은 범퍼축(32)에 대한 압축력 또는 인장력일 수 있으며,
연산수단의 2축 모멘트 산출단계(S250)는, 연산수단이 다음의 수학식 6 및 수학식 7
(여기서, Mx는 임의의 x축을 중심으로 하는 모멘트의 크기이고, F1, F2, F3 및 F4는 제 1힘센서 필름(10)상에 범퍼축(32)을 중심으로 90°사이 각을 가지고 범퍼축(32) 중심으로부터 등 거리 a로 분포하는 제 1힘센서(11), 제 2힘센서(12), 제 3힘센서(13) 및 제 4힘센서(14)에 작용하는 분력의 크기임)
(여기서, My는 x축에 수직하는 y축을 중심으로 하는 모멘트의 크기이고, F5, F6, F7 및 F8은 제 2힘센서 필름(20)상에 범퍼축(32)을 중심으로 90°사이 각을 가지고 범퍼축(32) 중심으로부터 등 거리 a로 분포하고 제 1힘센서(11), 제 2힘센서(12), 제 3힘센서(13) 및 제 4힘센서(14)와 상하로 대응하는 제 5힘센서(21), 제 6힘센서(22), 제 7힘센서(23) 및 제 8힘센서(24)에 작용하는 분력의 크기임)
에 기초하여 Mx 크기 및 My 크기를 산출한다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예의 일 구성인 제 1힘센서 필름(10)의 힘센서 분포를 나타낸 평면도,
도 2는 본 발명인 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조의 제 1실시예를 하방으로 바라본 상태를 나타낸 분해사시도,
도 3은 본 발명인 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조의 제 1실시예를 상방으로 바라본 상태를 나타낸 분해사시도,
도 4는 본 발명인 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조의 제 1실시예의 각 구성이 결합된 상태의 정단면도,
도 5는 본 발명인 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조의 제 2실시예를 하방으로 바라본 상태를 나타낸 분해사시도,
도 6은 본 발명인 제 1실시예에 의한 1축 힘 및 2축 모멘트 측정방법을 순차적으로 나타낸 순서도,
도 7은 본 발명의 제 2실시예의 일 구성인 제 1힘센서 필름(10)과 제 2힘센서 필름(20)의 힘센서 분포 및 상호 위치관계를 나타낸 사시도,
도 8은 본 발명인 제 2실시예에 의한 1축 힘 및 2축 모멘트 측정방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 제 1힘센서 필름
20: 제 2힘센서 필름
11: 제 1힘센서
12: 제 2힘센서
13: 제 3힘센서
14: 제 4힘센서
21: 제 5힘센서
22: 제 6힘센서
23: 제 7힘센서
24: 제 8힘센서
30: 범퍼
31: 누름부재
32: 범퍼축
40, 41: 패드
50: 하판
51: 나사홀
52: 볼트
60: 상판
61: 제 1홀
62: 제 2홀
63: 나사홈
71: 제 1갭
72: 제 2갭
73: 제 3갭
Claims (19)
1축 힘의 방향 및 2축 모멘트 방향을 갖는 3축 힘센서 구조에 있어서,
적어도 네 부분의 힘센서 분포를 갖는 제 1힘센서 필름(10);
상기 제 1힘센서 필름(10)을 상부에서 하부로 누르는 누름부재(31) 및 상기 누름부재(31) 상부에 연결되어 상기 누름부재(31)에 외력을 전달하는 범퍼축(32)으로 구성된 범퍼(30);
상기 누름부재(31)와 상기 제 1힘센서 필름(10) 사이에 위치하는 패드(40);
상기 제 1힘센서 필름(10)의 하부에 위치하여 상기 외력의 작용에 반작용하는 하판(50); 및
상기 하판(50)과 가장자리에서 접하고 상기 범퍼축(32)의 상단을 외부로 돌출시키기 위한 제 1홀(61)과 상기 제 1힘센서 필름(10)과 연결되는 신호 입출력선을 인출하는 제 2홀(62)이 형성되어 있으며 상기 범퍼(30)의 상부에서 상기 제 1힘센서 필름(10) 및 상기 범퍼(30)를 함입하는 상판(60);을 포함하는 것을 특징으로 하는 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조.
제 1항에 있어서,
상기 상판(60) 및 상기 하판(50)은 금속 또는 고분자 물질로 제조된 것을 특징으로 하는 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조.
제 1항에 있어서,
상기 제 1힘센서 필름(10)은 서로 직교하는 방향으로 상기 각 방향에 대응하는 최소 네 부분 이상의 힘센서 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조.
제 1항에 있어서,
상기 제 1힘센서 필름(10)은 접촉저항형의 필름, 정전용량형의 필름 및 압전필름 중 어느 하나의 필름인 것을 특징으로 하는 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조.
제 1항에 있어서,
상기 범퍼(30)의 소재는 금속 또는 고분자 물질인 것을 특징으로 하는 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조.
제 1항에 있어서,
상기 패드(40)는 실리콘 패드(40) 또는 고분자 패드(40)인 것을 특징으로 하는 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조.
제 1항에 있어서,
상기 상판(60)은 가장자리에서 상기 하판(50) 가장자리에 형성된 다수의 나사홀(51)과 볼트(52) 결합 또는 상기 하판(50)과 접하는 부위에 접착제로 접착되는 것을 특징으로 하는 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조.
제 1항에 있어서,
상기 상판(60)은 상기 누름부재(31) 및 상기 범퍼축(32)과 맞춤되는 오목구조를 가지되, 상기 누름부재(31) 외측의 수직면은 대면하는 상기 상판(60) 내측의 수직면과 제 1갭(71)을 형성하고 상기 범퍼축(32) 외측의 수직면은 대면하는 상기 상판(60) 내측의 수직면과 제 2갭(72)을 형성하며,
상기 상판(60) 내측 수평면과 대면하는 상기 누름부재(31) 외측의 수평면은 상기 상판(60) 내측의 수평면과 제 3갭(73)을 형성하는 것을 특징으로 하는 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조.
제 8항에 있어서,
상기 제 1갭(71) 및 상기 제 2갭(72)에 대응하는 거리는 0.1 mm 이상인 것을 특징으로 하는 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조.
제 8항에 있어서,
상기 제 3갭(73)에 대응하는 거리는 0.1 mm 이상인 것을 특징으로 하는 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조.
제 8항에 있어서,
상기 제 1힘센서 필름은 상기 누름부재(31)의 하면과 맞춤되어 크기가 동일한 것을 특징으로 하는 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조.
제 1항에 있어서,
상기 상판(60)과 상기 누름부재(31)의 상면 사이에 위치하며 적어도 네 부분의 힘센서 분포를 갖는 제 2힘센서 필름(20)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조.
제 12항에 있어서,
상기 제 2힘센서 필름(20)은 서로 직교하는 방향으로 상기 각 방향에 대응하는 네 부분의 힘센서 분포를 가지며,
상기 제 1힘센서 필름(10)과 상기 제 2힘센서 필름(20)은 상하로 동일한 힘센서 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조.
상판(60)에 형성된 제 1홀(61)을 통해 외부로 노출된 범퍼축(32)이 외력을 전달받는 제 1전달단계(S100);
상기 범퍼축(32)과 연결된 누름부재(31)가 상기 범퍼축(32)으로부터 상기 외력을 전달받는 제 2전달단계(S110);
상기 누름부재(31) 하부에 위치한 적어도 네 부분의 힘센서 분포를 갖는 제 1힘센서 필름(10)이 상기 외력을 전달받는 제 3전달단계(S120);
상기 각 힘센서가 상기 외력의 분력에 대응하는 각 전기 신호를 출력하는 단계(S130);
연산수단이 상기 제 1힘센서 필름(10)과 연결된 신호 입출력선을 통해 상기 각 전기 신호를 입력받는 단계(S140); 및
상기 연산수단이 상기 각 전기 신호에 기초하여 상기 외력에 의한 1축 힘과 2축 모멘트를 산출하는 단계(S150);를 포함하는 것을 특징으로 하는 3축 힘센서 구 조에 의한 힘 및 모멘트 측정방법.
제 14항에 있어서,
상기 연산수단의 1축 힘 산출단계(S150)는, 상기 연산수단이 다음의 수학식
Fz = F1 + F2 + F3 + F4
(여기서 Fz는 상기 범퍼축(32)의 축 방향의 힘크기이며, F1, F2, F3, F4는 상기 각 힘센서에 작용하는 분력의 크기)
에 기초하여 상기 Fz 크기를 산출하는 단계;인 것을 특징으로 하는 3축 힘센서 구조에 의한 힘 및 모멘트 측정방법.
제 14항에 있어서,
상기 연산수단의 2축 모멘트 산출단계(S150)는, 상기 연산수단이 다음의 수학식
Mx = (F4-F2)a, My = (F1-F3)b
(여기서, Mx는 임의의 x축을 중심으로 하는 모멘트 크기이고, F4 및 F2는 상기 제 1힘센서 필름(10)상의 상기 범퍼축(32) 중심에 대칭하여 분포하는 제 4힘센서(14)와 제 2힘센서(12)에 작용하는 분력의 크기, a는 상기 범퍼축(32) 중심과 상 기 제 2힘센서(12) 간의 거리이며,
My는 상기 x축에 수직하는 y축을 중심으로 하는 모멘트 크기이고, F1 및 F3는 상기 제 4힘센서(14)와 상기 제 2힘센서(12)를 잇는 선에 수직으로 상기 범퍼축(32) 중심에 대칭하여 분포하는 제 1힘센서(11)와 제 3힘센서(13)에 작용하는 분력의 크기, b는 상기 범퍼축(32) 중심과 상기 제 1힘센서(11) 간의 거리임)
에 기초하여 상기 Mx 크기 및 상기 My 크기를 산출하는 단계;인 것을 특징으로 하는 3축 힘센서 구조에 의한 힘 및 모멘트 측정방법.
상판(60)에 형성된 제 1홀(61)을 통해 외부로 노출된 범퍼축(32)이 외력을 전달받는 제 1전달단계(S200);
상기 범퍼축(32)과 연결된 누름부재(31)가 상기 범퍼축(32)으로부터 상기 외력을 전달받는 제 2전달단계(S210);
상기 누름부재(31) 하부에 위치한 적어도 네 부분의 힘센서 분포를 갖는 제 1힘센서 필름(10) 및 상기 누름부재(31) 상부에 위치하면서 상기 제 1힘센서 필름(10)과 동일한 부분에 힘센서 분포를 갖는 제 2힘센서 필름(20)이 상기 외력을 전달받는 제 3전달단계(S220);
상기 제 1힘센서 필름(10)의 상기 각 힘센서 및 상기 제 2힘센서 필름(20)의 상기 각 힘센서가 상기 외력의 분력에 대응하는 각 전기 신호를 출력하는 단 계(S230);
소정 연산수단이 상기 제 1힘센서 필름(10) 및 상기 제 2힘센서 필름(20)과 연결된 신호 입출력선을 통해 상기 각 전기 신호를 입력받는 단계(S240); 및
상기 연산수단이 상기 각 전기 신호에 기초하여 상기 외력에 의한 1축 힘과 2축 모멘트를 산출하는 단계(S250);를 포함하는 것을 특징으로 하는 3축 힘센서 구조에 의한 힘 및 모멘트 측정방법.
제 17항에 있어서,
상기 외력은 상기 범퍼축(32)에 대한 압축력 또는 인장력이며,
상기 연산수단의 1축 힘 산출단계(S250)는, 상기 연산수단이 다음의 수학식
F-z = F1 + F2 + F3 + F4 , F+z = F5 + F6 + F7 + F8
(여기서 F-z는 상기 범퍼축(32)의 압축 방향의 힘크기이고 F1, F2, F3, F4는 상기 제 1힘센서 필름(10)상의 각 힘센서에 작용하는 분력의 크기이며, F+z는 상기 범퍼축(32)의 인장 방향의 힘크기이고 F5, F6, F7, F8는 상기 제 2힘센서 필름(20)상의 각 힘센서에 작용하는 분력의 크기임)
에 기초하여 상기 F-z 크기 또는 상기 F+z 크기를 산출하는 단계;인 것을 특징으로 하는 3축 힘센서 구조에 의한 힘 및 모멘트 측정방법.
제 17항에 있어서,
상기 외력은 상기 범퍼축(32)에 대한 압축력 또는 인장력이며,
상기 연산수단의 2축 모멘트 산출단계(S250)는, 상기 연산수단이 다음의 수학식
Mx = (F4-F2)a + (F6-F8)a, My = (F1-F3)a + (F7-F5)a
(여기서, Mx는 임의의 x축을 중심으로 하는 모멘트의 크기이고, F1, F2, F3 및 F4는 상기 제 1힘센서 필름(10)상에 상기 범퍼축(32)을 중심으로 90°사이 각을 가지고 상기 범퍼축(32) 중심으로부터 등 거리 a로 분포하는 제 1힘센서(11), 제 2힘센서(12), 제 3힘센서(13) 및 제 4힘센서(14)에 작용하는 분력의 크기이며,
My는 상기 x축에 수직하는 y축을 중심으로 하는 모멘트의 크기이고, F5, F6, F7 및 F8은 상기 제 2힘센서 필름(20)상에 상기 범퍼축(32)을 중심으로 90°사이 각을 가지고 상기 범퍼축(32) 중심으로부터 등 거리 a로 분포하고 상기 제 1힘센서(11), 상기 제 2힘센서(12), 상기 제 3힘센서(13) 및 상기 제 4힘센서(14)와 상하로 대응하는 제 5힘센서(21), 제 6힘센서(22), 제 7힘센서(23) 및 제 8힘센서(24)에 작용하는 분력의 크기임)
에 기초하여 상기 Mx 크기 및 상기 My 크기를 산출하는 단계;인 것을 특징으로 하는 3축 힘센서 구조에 의한 힘 및 모멘트 측정방법.
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