KR20120134270A

KR20120134270A - 힘 측정 기구

Info

Publication number: KR20120134270A
Application number: KR1020110053063A
Authority: KR
Inventors: 이동혁; 조남규
Original assignee: 한양대학교 에리카산학협력단
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2011-06-02
Publication date: 2012-12-12
Also published as: KR101627356B1

Abstract

본 발명에 따른 힘 측정 기구는, 탄소섬유판으로 이루어지고, 외력에 의해 탄성 변형되는 적어도 하나의 탄성변형부를 포함하는 탄성 박판; 및 상기 탄성변형부에 마련되어 외력에 의한 상기 탄성변형부의 물리적 변형량을 측정하는 변형측정모듈을 포함한다. 본 발명에 의하면, 정밀한 측정이 가능하면서도 다양한 분야에 쉽게 적용 가능하고, 측정 범위를 획기적으로 향상시킬 수 있다.

Description

힘 측정 기구{Device for sensing force}

본 발명은, 로드셀 등의 힘 측정 기구에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 힘 측정 기구에서 외력에 의해 탄성 변형되는 탄성변형부에 관한 것이다.

전자저울이나 생산 자동화에 흔히 사용하는 힘 측정 기구 혹은 힘 센서로서 로드셀(load cell)이 있다. 로드셀은 그 용도에 따라 다양한 용량과 단축, 다축 측정이 가능한 다양한 제품이 개발 생산되고 있다. 이러한 로드셀은 통상 외력에 의해 탄성 변형이 가능한 탄성변형부를 구비하고 있는데, 통상 탄성변형부의 재료는 탄성비례한도가 높고 높은 응력에 견딜 수 있는 니켈, 크롬, 몰리브덴강을 열처리한 것을 사용하며, 저하중용으로는 알루미늄합금, 베릴늄구리를 사용하는데, 이 중에 측정하려는 힘에 충분한 강도를 가진 재료를 선택하게 된다.

그런데, 금속 재료는 인장 강도에 비해 탄성 영역이 매우 좁기 때문에 정격 용량이 매우 제한적이다. 그래서 측정하려는 힘에 따라 매우 다양한 제품이 개발되고 생산되어야 한다. 또한, 금속 재료에 따라 탄성률이 다르기 때문에 재료에 따라 민감도가 제약을 받을 수밖에 없으며, 넓은 범위의 힘을 정밀하게 측정하기 어렵다.

이에 따라, 로드셀과 같은 힘 측정 기구는, 스트레인 게이지 등의 변형측정모듈보다 탄성변형부의 재료 선택 및 형상 설계가 중요한 인자가 될 수밖에 없다. 그러나 종래의 금속 재료로 제작된 탄성변형부는 탄성 영역이 매우 좁아서, 측정하려는 힘의 크기에 적합한 변형측정모듈을 사용해야만 하는 단점이 있었다. 즉, 금속 재료로 제작된 탄성변형부를 이용하는 종래의 로드셀 등의 힘 측정 기구는, 측정 가능 범위가 매우 제한적이고, 충격에 취약하다는 단점이 있었다.

위와 같은 단점으로 인해, 종래의 로드셀과 같은 힘 측정 기구는, 넓은 측정범위가 요구될 시에는 기존 제품을 직접 이용할 수 없어, 간접적인 방법으로 넓은 범위를 측정해야만 하고, 사용 용도에 따라 정격 용량의 로드셀을 선택하는 것이 설계상 주요한 변수로 작용하고 있으며, 다품종 생산에 따라 생산 단가가 올라갈 수밖에 없었다.

본 발명의 목적은, 정밀한 측정이 가능하면서도 다양한 분야에 쉽게 적용 가능하고, 측정 범위를 획기적으로 향상시킬 수 있는 힘 측정 기구를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 탄소섬유판으로 이루어지고, 외력에 의해 탄성 변형되는 적어도 하나의 탄성변형부를 포함하는 탄성 박판; 및 상기 탄성변형부에 마련되어 외력에 의한 상기 탄성변형부의 물리적 변형량을 측정하는 변형측정모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 힘 측정 기구에 의해 달성된다.

상기 탄소섬유판은, 탄소섬유직물에 수지를 함침시켜 프리프레그(prepreg) 형태로 제작될 수 있다.

상기 탄성 박판은, 0.1 ㎜ 내지 1.0 ㎜ 범위의 두께를 가질 수 있다.

상기 변형측정모듈은, 상기 탄성변형부에 부착되어 상기 탄성변형부의 물리적 변형량을 전기적 신호를 변환하는 적어도 하나의 스트레인 게이지를 포함할 수 있다.

상기 탄성 박판은, 상기 탄성변형부의 외측에 배치되는 테두리부와, 상기 탄성변형부의 내측에 배치되는 중앙부를 더 포함하고, 상기 탄성변형부는, 상기 테두리부와 상기 중앙부를 연결할 수 있다.

상기 테두리부는, 상기 탄성변형부를 에워싸는 링 형상으로 마련되고, 상기 중앙부는, 상기 테두리부와 동심인 원 형상으로 마련될 수 있다.

상기 탄성변형부는, 상기 테두리부와 상기 중앙부 사이에서 방사상으로 상호 등간격을 두고 복수 개가 배치될 수 있다.

상기 힘 측정 기구는, 상기 탄성 박판의 상기 테두리부를 고정 지지하기 위한 제1 홀더; 및 상기 탄성 박판의 상기 중앙부에 마련되어 외력을 입력받는 제2 홀더를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 홀더에는, 외력이 가해지는 팁(tip)이 결합될 수 있다.

상기 제1 홀더는, 상기 탄성 박판의 상기 테두리부 위에 배치되는 링 형상의 제1 상부홀더와, 상기 탄성 박판의 상기 테두리부 아래에 배치되는 링 형상의 제1 하부홀더를 포함하고, 상기 제1 상부홀더와 상기 제1 하부홀더는, 상기 탄성 박판의 상기 테두리부가 개재된 상태에서 상호 체결될 수 있다.

상기 제2 홀더는, 상기 탄성 박판의 상기 중앙부 위에 배치되는 제2 상부홀더와, 상기 탄성 박판의 상기 중앙부 아래에 배치되는 제2 하부홀더를 포함하고, 상기 제2 상부홀더와 상기 제2 하부홀더는, 상기 탄성 박판의 상기 중앙부가 개재된 상태에서 상호 체결될 수 있다.

본 발명은, 로드셀과 같은 힘 측정 기구에서 탄소섬유판으로 이루어지고 외력에 의해 탄성 변형되는 적어도 하나의 탄성변형부를 포함하는 탄성 박판을 사용함으로써, 정밀한 측정이 가능하면서도 종래의 금속 재료로 제작된 탄성변형부를 갖는 힘 측정 기구에 비해 다양한 분야에 쉽게 적용 가능하고, 측정 범위를 획기적으로 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 힘 측정 기구의 사시도이다.
도 2는 도 1의 힘 측정 기구의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 탄성 박판의 사시도이다.
도 4는 도 3의 탄성 박판의 평면도이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 힘 측정 기구의 사시도이고, 도 2는 도 1의 힘 측정 기구의 분해 사시도이다. 도 3은 도 1에 도시된 탄성 박판의 사시도이고, 도 4는 도 3의 탄성 박판의 평면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 힘 측정 기구(100)는 탄소섬유판으로 이루어지고 적어도 하나의 탄성변형부(111)를 포함한 탄성 박판(110) 및 탄성변형부(111)의 물리적 변형량을 측정하는 변형측정모듈(120)을 포함할 수 있다. 또한, 힘 측정 기구(100)는 탄성 박판(110)의 테두리부(113)를 고정 지지하기 위한 제1 홀더(130) 및 탄성 박판(110)의 중앙부(115)에 마련되어 외력을 입력받는 제2 홀더(140)를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 실시예에서 개시하고 있는 힘 측정 기구(100)는 일반적으로 '3축 로드셀(3-axis load cell)'에 적용되는 것이나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고 단축 로드셀, 3축 이외의 다축 로드셀에도 적용될 수 있음은 물론이다. 더 나아가, 본 발명은 로드셀에 적용되는 것에 한정되지 아니하고, 외부에서 가해지는 힘의 크기 및/또는 방향을 측정하기 위한 다양한 형태의 힘 센서에 적용될 수 있다. 그리고, 본 발명의 힘 측정 기구는 로드셀을 이용하는 전자저울, 의료용 로봇, 산업용 로봇, 토목용 로드셀 등의 다양한 분야에 사용될 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 탄성 박판(110)은 탄소섬유판(Carbon fiber plate; Carbon fiber reinforced prepreg; CFRP)으로 이루어지고, 외력에 의해 탄성 변형되는 3개의 탄성변형부(111)를 포함할 수 있다.

여기서, 탄소섬유판은 탄소섬유직물(Carbon fabric)에 에폭시 수지를 함침시켜 프리프레그(prepreg; 수지 침투 가공재) 형태로 제작되는 것이 바람직하다. 이러한 탄소섬유판은 고분자 복합재료로 플라스틱보다 월등히 가벼우면서 강철보다 현저히 강한 물성을 갖는다. 구체적으로, 위와 같은 프리프레그 형태의 탄소섬유판은 금속 재료와 같은 항복강도가 실질적으로 없으며, 스테인리스 스틸(stainless steel)과 비교를 하여도 인장 강도는 약 6배 정도 높으며, 탄성률은 비슷하여 스테인리스 스틸을 이용한 로드셀의 민감도와 유사한 성능을 나타낼 수 있다. 예컨대, 두께가 0.3 ㎜의 두께를 갖는 스테인리스 스틸과 탄소섬유판에 대해 최대허용힘(N)을 시험해본 결과, 스테인리스 스틸의 최대허용힘은 19.71 N이고, 탄소섬유판의 최대허용힘은 360 N이었다. 이러한 시험 결과에 따르면, 탄소섬유판을 이용한 로드셀은 기존의 스테인리스 스틸을 이용한 로드셀과 비교하여 유사한 분해능으로 고정밀 측정이 가능하면서도 그 측정 범위는 약 18배 정도 넓어지는 이점을 가질 수 있다.

한편, 탄소섬유판은 위와 같이 금속 재료에 비해 우수한 물성을 갖지만, 탄소섬유 필라멘트를 직조한 것, 즉 탄소섬유직물을 두께 방향으로 쌓아서 경화시킨 구조로, 금속 재료와 다르게 직조 방향으로만 좋은 물성을 활용할 수 있다는 한계가 있다. 이러한 탄소섬유판의 한계를 고려하면, 탄성 박판(110)은 탄소섬유판이 갖는 우수한 물성을 최대한 활용할 수 있도록, 그 명칭 그대로 '판' 혹은 '박판' 형상을 갖는 것이 바람직하다. 구체적으로, 실험에 따르면 탄성 박판(110)은 0.1 ㎜ 내지 1.0 ㎜ 범위의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 다만, 본 발명에서 탄성 박판(110)의 두께는 전술한 구체적인 수치 범위에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 고하중용 로드셀에 적용하고자 하는 경우, 탄성 박판(110)의 두께는 전술한 수치 범위를 넘어 더욱 두껍게 설계될 수 있다.

탄성 박판(110)은 탄성변형부(111) 뿐만 아니라 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 탄성변형부(111)의 외측에 배치되는 테두리부(113) 및 탄성변형부(111)의 내측에 배치되는 중앙부(115)를 더 포함할 수 있다. 탄성변형부(111)는 힘 측정 기구(100)의 외부에서 가해지는 힘에 의해 탄성 변형이 발생하는 부분으로, 후술할 스트레인 게이지(strain gage)를 포함한 변형측정모듈(120)이 설치될 수 있다.

테두리부(113)는 외력에 의해 탄성변형부(111)가 탄성 변형될 수 있도록 제1 홀더(130)에 의해 고정 지지되는 부분이다. 이때, 제1 홀더(130)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 탄성 박판(110)의 테두리부(113) 위에 배치되는 링 형상의 제1 상부홀더(131) 및 탄성 박판(110)의 테두리부(113) 아래에 배치되는 링 형상의 제1 하부홀더(132)를 포함할 수 있다. 제1 상부홀더(131)와 제1 하부홀더(132)는 탄성 박판(110)의 테두리부(113)가 개재된 상태에서 다수의 볼트(130B)를 사용하여 상호 체결될 수 있다. 이를 위해 제1 상부홀더(131), 탄성 박판(110)의 테두리부(113) 및 제1 하부홀더(132) 각각에는 도 2에 도시된 바와 같이 서로 대응하는 위치에 다수의 체결공(131a,113a,132a)이 형성될 수 있다.

중앙부(115)는 탄성변형부(111)의 탄성 변형을 야기하는 외력이 입력되는 부분으로 제2 홀더(140)가 설치될 수 있으며, 이때 제2 홀더(140)의 중앙에는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 다양한 방향으로 외력을 입력받을 수 있도록 팁(145, tip)이 결합될 수 있다. 이때, 제2 홀더(140)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 탄성 박판(110)의 중앙부(115) 위에 배치되는 제2 상부홀더(141) 및 탄성 pp박판(110)의 중앙부 아래에 배치되는 제2 하부홀더(142)를 포함할 수 있다. 제2 상부홀더(141)는 원반 형상으로 그 중심에는 외력을 입력받기 위한 팁(145)이 결합될 수 있도록 체결홈(141b)이 형성될 수 있다. 제2 하부홀더(142)는 스트레인 게이지(121)에 연결된 전선이 통과할 수 있도록 중앙 관통된 원반 형상으로 마련될 수 있다. 제2 상부홀더(141)와 제2 하부홀더(142)는 탄성 박판(110)의 중앙부(115)가 개재된 상태에서 다수의 볼트(140B)를 사용하여 상호 체결될 수 있다. 이를 위해 제2 상부홀더(141), 탄성 박판(110)의 중앙부(115) 및 제2 하부홀더(142) 각각에는 도 2에 도시된 바와 같이 서로 대응하는 위치에 다수의 체결공(141a,115a,142a)이 형성될 수 있다.

탄성변형부(111)는 테두리부(113)와 중앙부(115) 사이에 배치되어 테두리부(113)와 중앙부(115)를 상호 연결한다. 구체적으로, 탄성변형부(111)는 테두리부(113)에서 중앙부(115)까지 연장되도록 형성될 수 있다. 예컨대, 탄성 박판(110)은 원판 형상의 탄소섬유판 모재에서 도 4에 도시된 바와 같은 소정의 영역들(117a,117b,117c)을 절취 가공하여 마련될 수 있다.

한편, 본 실시예에서 힘 측정 기구(100)는 앞서 언급한 바와 같이 3축(X축, Y축 및 Z축) 방향의 힘을 측정하기 위한 것인데, 다양한 각도에서 신뢰성 있는 측정이 가능하도록 탄성 박판(110)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 전체적으로 원판 형상을 가지되, 테두리부(113)는 탄성변형부(111)를 에워싸는 링 형상으로 마련되고, 중앙부(115)는 테두리부(113)와 동심인 원 형상으로 마련되는 것이 바람직하다. 또한, 탄성변형부(111)는 테두리부(113)와 중앙부(115) 사이에서 방사상으로 상호 등간격을 두고 3개가 배치됨이 바람직하다. 다만, 본 발명에서 탄성 박판(110)의 형상 및 탄성 박판(110)을 구성하는 탄성변형부(111)의 개수 및 배치 형태 등은, 적용하고자 하는 힘 측정 기구의 종류 및 특성 등에 따라 적절히 변경될 수 있음은 물론이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 변형측정모듈(120)은 탄성 박판(110)의 탄성변형부(111)에 마련되는 것으로, 외력에 의한 탄성변형부(111)의 물리적 변형량을 측정할 수 있다. 구체적으로, 변형측정모듈(120)은 탄성 박판(110)의 탄성변형부(111)에 부착되어 탄성변형부(111)의 물리적 변형량을 전기적 신호로 변환하는 적어도 하나의 스트레인 게이지(121, strain gage)를 포함할 수 있다. 일반적으로 '스트레인 게이지'는 구조체의 변형되는 상태와 그 양(量)을 측정하기 위하여 구조체 표면에 부착하는 것으로, 통상 전기식 스트레인 게이지는 구조체가 변형을 일으킬 때에 부착된 스트레인 게이지의 전기적 저항이 변하여 이로부터 변형률을 측정할 수 있다. 한편, 통상의 스트레인 게이지(121)를 이용하는 변형측정모듈(120)의 원리 및 그 구성에 대해서는 잘 알려져 있는바, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 실시예에서는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 하나의 탄성변형부(111)에 대해 그 상면에 2개의 스트레인 게이지(121)가 설치될 수 있다. 도면에 도시되지 않았지만 탄성변형부(111)의 하면에도 상면에 설치된 2개의 스트레인 게이지(121)와 대응하는 위치에 2개의 스트레인 게이지가 설치될 수 있다. 즉, 3개의 탄성변형부(111)를 포함한 탄성 박판(110)에 대해서는 총 12개(상면 6개, 하면 6개)의 스트레인 게이지(121)가 설치될 수 있다. 다만, 스트레인 게이지(121)의 개수 및 배치 형태 등은 본 실시예에서 개시된 것에 한정되지 아니하고 적절히 변경될 수 있다. 더 나아가, 본 발명에서 변형측정모듈(120)은 전술한 스트레인 게이지 방식에 한정되지 아니하고, 외력에 의한 탄성변형부(111)의 물리적 변형량을 소정의 신호로 변환하여 탄성변형부(111)의 물리적 변형량을 측정할 수 있는 다양한 방식의 모듈로 적용될 수 있음은 물론이다.

한편, 탄성변형부(111)에 부착된 스트레인 게이지(121)들 각각에는 생성된 전기적 신호를 신호처리 프로세서(미도시) 등에 전송하기 위해 전선(미도시) 등이 연결될 수 있는데, 이때 탄성 박판(110)의 중앙부(115)에 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 전선을 인출하기 위한 개구(115b)를 형성함으로써 전체적인 배선을 깔끔하게 처리할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 힘 측정 기구(100)는, 종래의 금속 재료로 제작된 탄성변형부를 인장 강도와 탄성이 우수한 탄소섬유판으로 대체하여 최적 적용함으로써, 정밀한 측정이 가능하면서도 넓은 범위의 힘을 측정할 수 있음은 물론, 다자유도 힘의 측정이 필요한 다양한 분야에 쉽게 적용할 수 있다.

본 발명은 전술한 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

100 : 힘 측정 기구
110 : 탄성 박판
111 : 탄성변형부
113 : 테두리부
115 : 중앙부
120 : 변형측정모듈
121 : 스트레인 게이지
130 : 제1 홀더
140 : 제2 홀더
145 : 팁

Claims

탄소섬유판으로 이루어지고, 외력에 의해 탄성 변형되는 적어도 하나의 탄성변형부를 포함하는 탄성 박판; 및
상기 탄성변형부에 마련되어 외력에 의한 상기 탄성변형부의 물리적 변형량을 측정하는 변형측정모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 힘 측정 기구.
제1항에 있어서,
상기 탄소섬유판은,
탄소섬유직물에 수지를 함침시켜 프리프레그(prepreg) 형태로 제작되는 것을 특징으로 하는 힘 측정 기구.
제1항에 있어서,
상기 탄성 박판은,
0.1 ㎜ 내지 1.0 ㎜ 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 힘 측정 기구.
제1항에 있어서,
상기 변형측정모듈은,
상기 탄성변형부에 부착되어 상기 탄성변형부의 물리적 변형량을 전기적 신호를 변환하는 적어도 하나의 스트레인 게이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 힘 측정 기구.
제1항에 있어서,
상기 탄성 박판은, 상기 탄성변형부의 외측에 배치되는 테두리부와, 상기 탄성변형부의 내측에 배치되는 중앙부를 더 포함하고,
상기 탄성변형부는, 상기 테두리부와 상기 중앙부를 연결하는 것을 특징으로 하는 힘 측정 기구.
제5항에 있어서,
상기 테두리부는, 상기 탄성변형부를 에워싸는 링 형상으로 마련되고,
상기 중앙부는, 상기 테두리부와 동심인 원 형상으로 마련되는 것을 특징으로 하는 힘 측정 기구.
제6항에 있어서,
상기 탄성변형부는,
상기 테두리부와 상기 중앙부 사이에서 방사상으로 상호 등간격을 두고 복수 개가 배치되는 것을 특징으로 하는 힘 측정 기구.
제1항에 있어서,
상기 힘 측정 기구는,
상기 탄성 박판의 상기 테두리부를 고정 지지하기 위한 제1 홀더; 및
상기 탄성 박판의 상기 중앙부에 마련되어 외력을 입력받는 제2 홀더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 힘 측정 기구.
제8항에 있어서,
상기 제2 홀더에는,
외력이 가해지는 팁(tip)이 결합되는 것을 특징으로 하는 힘 측정 기구.
제8항에 있어서,
상기 제1 홀더는, 상기 탄성 박판의 상기 테두리부 위에 배치되는 링 형상의 제1 상부홀더와, 상기 탄성 박판의 상기 테두리부 아래에 배치되는 링 형상의 제1 하부홀더를 포함하고,
상기 제1 상부홀더와 상기 제1 하부홀더는, 상기 탄성 박판의 상기 테두리부가 개재된 상태에서 상호 체결되는 것을 특징으로 하는 힘 측정 기구.
제8항에 있어서,
상기 제2 홀더는, 상기 탄성 박판의 상기 중앙부 위에 배치되는 제2 상부홀더와, 상기 탄성 박판의 상기 중앙부 아래에 배치되는 제2 하부홀더를 포함하고,
상기 제2 상부홀더와 상기 제2 하부홀더는, 상기 탄성 박판의 상기 중앙부가 개재된 상태에서 상호 체결되는 것을 특징으로 하는 힘 측정 기구.