KR100903560B1

KR100903560B1 - 충격시험기

Info

Publication number: KR100903560B1
Application number: KR1020070056279A
Authority: KR
Inventors: 이순복; 김일호
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2007-06-08
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2009-06-23
Anticipated expiration: 2027-06-08
Also published as: KR20080107904A

Abstract

본 발명은 충격시험기에 관한 것으로, 그 목적은 응력과 변형률 측정이 가능한 반복 충격시험기를 제공함에 있다.

상기 목적달성을 위한 본 발명은 시험을 요하는 시편 양단을 각 일단에 고정하는 제 1,2 변형률 측정센서와; 상기 제 1 변형률 측정센서 끝단에 연결된 충격하중 측정센서와; 상기 제 2 변형률 측정센서 끝단에 일측이 연결되어 상기 시편에 충격하중을 전달하는 충격자와; 상기 충격자 타측에 연결되어 상기 충격자가 움직여 상기 시편에 충격하중을 가하는 구동부로 구성되어, 작은 재료나 제품의 전단, 인장 및 압축충격하중시험을 반복충격하중을 줄 수 있으며, 그 결과의 변형률 및 변형률속도나 가속도를 측정할 수 있는 충격시험기에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

충격시험기, 전자기 코일, 충격하중, 변형률, 변형률 속도, 솔더, 임팩트, 피로.

Description

충격시험기 {APPARATUS FOR PROVIDING IMPACT TEST}

도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 예시도,

도 2 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그립부와 시편의 상세도,

도 3 은 LVDT의 관한 개략도,

도 4 는 일반적인 갭센서에 관한 간단한 예시도,

도 5 는 갭센서를 충격시험기에 적용한 예시도,

도 6 은 레이저 변위센서를 충격시험기에 적용한 예시도,

도 7 은 인장충격하중을 가하기 위한 그립의 상세도,

도 8 은 전단충격하중을 가하기 위한 그립의 상세도,

도 9 는 압축충격하중을 가하기 위한 그립의 정면도,

도 10 은 전자부품 또는 소형 시편을 그립에 고정한 예시도,

도 11 은 전자부품 또는 소형 시편을 고정하는 그립의 각도를 달리한 예시도,

도 12 는 각 센서와 구동부를 제어하는 제어장치의 상관관계도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 구동부 10 : 전자기코일

11 : 자석 12 : 탄성체

20 : 제 1 변형률측정센서(LVDT) 21 : 제 2 변형률측정센서

22 : 상단코어 23 : 하단코어

24,24a : 그립 25 : 조임볼트

200 : 갭센서 201 : 갭센서반응부

210 : 레이저변위센서 211 : 반사판

3 : 충격하중측정센서 30 : 정렬조정부

4 : 충격자

4a : 인장/전단용충격자 (걸쇠형) 4b : 압축용충격자(망치형)

40 : 충격전달바

40a : 인장/전단용충격전달바 40b : 압축용충격전달바

41 : 충격전달핀

5 : 프레임 50 : 메인프레임

51 : 제 1 크로스바 52 : 제 2 크로스바

53 : 높이조절기 54 : 선형부싱

6 : 센서지지부 60 : 지지실린더

61 : 상단연결부 62 : 하단연결부

7 : 시편 70 : 솔더볼조인트

71 : 패드 72 : 구리판

73 : 땜납

본 발명은 응력과 변형률 측정이 가능한 반복 충격시험기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자부품과 같은 소형 시편에 대해서 충격하중과 변형률, 변형률속도, 충격흡수량 등의 재료 물성 평가를 수행하고, 충격하중에 대한 제품 신뢰성 시험을 위한 충격시험장치에 관한 것이다.

통상적으로 시행되는 충격시험으로는 재료 물성 평가용과 실제 제품의 평가용으로 나눌 수 있다. 재료 물성 평가용은 재료 및 제품 개발 단계에서, 특정한 형상의 시편을 이용하여 충격물성을 평가하는 방법으로, 여기에서 얻어진 데이터를 활용하여 재료의 선택, 제품의 형상 결정 등을 행하게 된다. 일반적으로 고변형률속도 실험을 위해선 홉킨슨바(Hopkinson bar)를, 충격량 측정을 위해서는 샤피(Charpy) 충격시험기를 주로 사용하며, 그 외에 중량물을 낙하시키거나 가스건(gas gun) 등을 이용한 충격시험기가 있다. 이들 시험 방법에 대한 자세한 설명은 KS 시험규격이나 ASTM(American Society for Testing and Materials) 핸드북에 자세히 나와 있다.

또한, 실제 제품의 충격시험도 수행되고 있는데 이는 설계가 끝난 후에 검증의 단계로써, 실제 제품 또는 제품의 일부 부품에 대해서 충격시험을 시행하게 된다. 이는 보통 낙하 충격시험기를 사용하거나 제품에 특화된 충격시험기를 이용하 여 행하게 된다.

충격하중에 대해 재료의 거동은 변형률속도, 변형률에 따라서 변화하게 된다. 따라서, 공학적으로 의미가 있는 물리량을 측정해야하는 특정 제품이나 조건을 제외한 모든 제품에 적용을 할 수 있다. 아울러, 낙하물의 높이, 충격시의 가속도 변화가 중요한 것이 아니라 충격하중에 의해 유발되는 응력(Stress)나 변형률 속도, 변형률, 충격흡수에너지를 측정해야 한다. 이러한 물리량은 독립적이지 않고, 상호의존을 하게 되기 때문에 모든 물리량을 동시에 고려해주어야만 한다. 그러나 일반적으로 사용되는 많은 충격시험기들은 이러한 모든 물리량을 측정하지 못하고 있다. 샤피 충격시험기의 경우에 충격흡수에너지만을 측정할 수 있고, 낙하 충격시험기의 경우에는 낙하하중만을 측정할 수 있는 문제를 가지고 있다. 홉킨슨바를 이용한 충격시험은 변형률속도, 변형률, 하중을 모두 측정할 수 있으나 구조가 복잡하고, 공간을 많이 차지하며, 비용이 많이 소요됨에 따라 널리 사용하지 못하고 있다.

여기서 '재료의 거동'이란, 기계 등의 작동상태(behavior)를 나타내는 말로 재료거동학(Material Behavior)에서 말하는 거동을 뜻하는 것이다.

그리고 '공학적으로 의미가 있는 물리량'이란 다음 문장에서 말하는 '응력과 변형률 속도'를 지칭하는 것으로 많은 충격시험기에서 측정하는 분야가 '낙하물의 높이, 충격시의 가속도 변화' 등인데, 이런 것들은 특정 제품에 대해서는 적용가능하지만, 형태나 재질이 변화가 되면 그 측정값을 적용할 수 없다. 따라서, 응력이나 변형률 속도 등을 측정해야한다는 것을 강조한 것이다.

충격하중은 다양한 방향으로 작용하게 되고, 충격하중의 방향에 따라 재료의 거동 또한 변하게 된다. 그러나 현 시험측정기들은 즉, 홉킨슨바와 낙하 충격시험기는 압축 충격하중에 대해서만 시험이 가능하며, 샤피 충격시험기는 복합하중에 대해서만 시험이 가능하다는 문제점을 가지고 있다.

또한, 충격하중을 한번만 가하는 시험이 있는가하면 반복적으로 충격하중을 되풀이하는 시험이 있는데 반복 충격하중에 대한 연구는 신뢰성평가에 있어서 매우 중요하다. 이에 따라 반복적으로 하중을 가할 수 있는 기구가 필요하다. 홉킨슨바의 경우 대부분 가스건을 사용하여 중량물을 발사하기 때문에 반복실험이 어렵다. 또한 샤피 충격시험기나 낙하 충격시험기는 모터 등을 이용하여 반복 실험을 수행하고 있으나, 그로 인한 구조시스템의 복잡도가 증가하고, 잦은 고장이 발생하는 문제점이 있었다.

또한, 전자부품이나 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 등의 소형 재료나 부품에 대한 충격시험을 수행하기 위해서는 기존의 충격시험기로는 정밀도가 현저히 떨어지게 된다. 낙하 충격시험기의 경우 낙하과정에서 회전이 발생되어 정확한 충격파를 만들지 못하고 있는데, 이는 작은 재료에 대해서는 이 효과는 더욱 커지게 된다. 샤피 충격시험기의 경우 해머(hammer)작동부의 마찰력에 의해 에너지 손실이 발생되어 정확한 충격흡수에너지를 측정할 수 없다. 스트레인게이지(Strain gage)를 이용하는 홉킨슨바 시험의 경우에도 변형이 작아지기 때문에 보다 고성능의 스트레인게이지를 필요로 한다. 따라서 작은 시편에 대해 정밀하게 변형률과 하중을 측정할 수 있는 방법이 필요하게 된다.

작은 시편의 변형률을 측정하기 위해서는 고분해능의 변위측정장치가 필요하다. 그리고 변위측정장치가 접촉을 할 경우, 마찰에 의한 효과가 발생할 수 있으므로 비접촉센서의 사용이 필요하게 된다. 따라서 앰프(amplifier)의 성능에 따라 무한한 분해능을 가질 수 있는 LVDT를 사용하게 되는데, LVDT를 사용한 예로「Soldering & Surface Mount Technology Vol.18, No.2, 2006 K.T. Tsai, F-L. Liu, E.H. Wong and R. Rajoo pp 12-17」의 논문 내용의 시험기를 보면 미소 재료에 대한 충격 시험을 위해서 전자석을 이용한 시험기에 관한 것으로, 보다 상세히 설명하면 전자석에 전류를 조절하여 해머를 가속시키고, 하중을 측정하기 위해 해머의 충격부위에 로드셀을 장착하고, 해머의 위치를 측정하기 위해 LVDT 센서를 부착하였다. 이는 전단충격하중(Shear impact force)만을 가해줄 수 있는 시험기나 다른 인장 및 압축충격하중에선 적용되지 않는다. 또한, 해머의 위치를 알기 위한 용도로 LVDT를 사용하였으나 변위측정장치로서 활용하지 못하였다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 그 목적은 작은 재료나 제품의 전단, 인장 및 압축충격하중시험을 위해 반복충격하중을 줄 수 있으며, 그 결과의 변형률 및 변형률속도나 가속도를 측정할 수 있는 충격시험기를 제공함에 있다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 충격시험기는 시험을 요하는 시편 양단을 각 일단에 고정하는 제 1,2 변형률측정센서와; 상기 제 1 변형률측정센서 끝단에 연결된 충격하중측정센서와; 상기 제 2 변형률측정센서 끝단에 일측이 연결되어 상기 시편에 충격하중을 전달하는 충격자와; 상기 충격자 타측에 연결되어 상기 충격자가 움직여 상기 시편에 충격하중을 가하는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 구동부는 상기 충격자가 반복 충격하중작동이 가능하도록 전자기코일과 자석으로 구성할 수 있다.

또, 상기 구동부는 충격하중을 만들기 위한 구동기로 전자석 또는 유공압 또는 가스건 등의 가속장치로 구성되어 충격후 그 힘이 제거됨으로 반복충격이 가능하게 구성할 수 있다.

또한, 상기 구동부의 전자기 코일 또는 구동기의 복원력을 증진시키기 위해 상기 전자기코일 또는 구동기 측부에 설치된 코일스프링 또는 리프스프링 또는 판스프링 등의 탄성체를 더 포함할 수 있다.

또, 상기 제 1,2 변형률 측정센서는 상기 시편 양단의 그립에 부착되어 변위를 측정함으로써 변형률을 계산할 수 있게 해주는 LVDT로 구성할 수 있다.

또, 상기 제 1,2 변형률 측정센서는 갭센서반응 또는 레이저 변위센서를 이용한 변위 전달기구를 통해 변위를 측정할 수 있다.

또, 상기 충격하중 측정센서는 반응속도가 빠르며 충격시험의 시편 재질에 따라 적절한 용량의 로드셀로 구성할 수 있다.

또한, 상기 각 측정센서와 구동부의 외형을 구속하여 일체형을 이루도록 하는 프레임을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 구동기의 선형성과 정렬을 위해 상기 프레임에 마련되어 충격자가 이탈하지 않고, 상하로 이동할 수 있도록 가이드하는 적어도 하나의 선형부싱을 더 포함하여 형성할 수 있다.

또, 상기 프레임은 전체 외형을 이루는 메인프레임과, 상기 메인프레임 일측부에 설치되어 상기 충격하중측정센서를 연결하고 시편과 그립을 구동부와 정렬하기 위한 정렬조정부를 구비한 제 1 크로스바와, 상기 메인프레임 타측부에 설치되어 상기 제 1,2 변형률측정센서를 가이드하기 위해 장착한 센서지지부를 구비한 제 2 크로스바로 형성될 수 있다.

또한, 상기 구동축과 상응하는 상기 메인프레임 중심축 일단에 설치되어 시편 체결 및 높이 조절을 위한 높이조절기가 더 포함하여 구비될 수 있다.

또, 상기 높이조절기는 높이 조절을 위해 핸들을 사용한 수동으로 구동되거나, 모터나 유공압시스템을 설치하여 전자동으로 구동될 수 있다.

또한, 상기 충격자 타측과 상기 구동부 일측에 서로 연결되어 상기 구동부에서 발생하는 힘을 상기 충격자에 전달하는 충격전달바를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 각 측정센서와 구동부의 구동을 제어하는 제어장치;를 더 포함할 수 있다.

또, 상기 충격자는 인장 및 전단충격하중 또는 압축충격하중에 따라 그 형상을 걸쇠형 또는 망치형으로 형성할 수 있다.

또, 상기 제 1,2 변형률측정센서는 상기 시편을 고정하는 그립을 구비하여 시험이 요구되는 충격하중의 방향에 따라 상기 시편을 고정하는 그립면의 각도를 소정의 각도로 변경할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

들어가기에 앞서, 본 발명을 설명하는데 있어서, 그 실시 예가 상이하더라도 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하고, 필요에 따라 그 설명을 생략할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 예시도이고, 도 2 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그립부와 시편의 상세도이다.

도 1 및 도 2 를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충격시험기는 구동부(1)와, 제 1,2 변형률측정센서(20,21)와, 상,하단의 그립(24,24`)과, 충격하중측정센서(3)와, 충격자(4)와, 프레임(5)을 포함한다.

구동부(1)는 주변에 자석(11)으로 둘러쌓인 전자기코일(10)로 이루어져 전자기코일(10)에 전류가 흐름에 따라 플레밍의 법칙에 의해 상기 자석(11)과의 상호작용으로 힘이 발생하게 된다.

다시 말하여, 전류가 발생하면 자석(11)과 전자기코일(10)의 자기장형성의 의해 전자기코일(10)이 반발력을 일으켜 종동운동을 하게된다.

즉, 전기에너지를 운동에너지로 변환하는 에너지전환장치를 사용하는 것이다.

여기서, 전자기코일(10)은 자유롭게 이동될 수 있으므로 탄성체(12)에 연결되어 공중에 떠있도록 고정시켜 위치를 유지시킨다.

상기 자석(11)은 전자석 또는 영구자석을 사용할 수 있으며, 영구자석을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 탄성체(12)는 두꺼운 종이나 얇은 금속류 또는 코일스프링, 리프스프링, 판스프링과 같은 탄성력복원장치를 사용할 수 있다.

상기 구동부(1)의 또다른 예시로는 충격하중을 만들기 위한 구동기로써, 전자석 또는 유공압 또는 가스건 등의 가속장치로 구성될 수 있다.

제 1,2 변형률측정센서(20,21)는 시험을 요하는 시편(7)의 변형률과 변형률 속도를 측정하며, 본 실시예에서는, LVDT센서를 사용하였다.

도 3 은 LVDT의 관한 개략도로서, LVDT(linear variable differential transformer)는 기본적으로 가동형 코어와 3개의 코일로 구성된다. AC 여자 전압이 주 권선에 공급되면 코어는 움직이게 되고 그 결과로 2차 권선 단자에서의 출력전압의 크기와 위상이 바뀌게 된다.

출력전압의 크기는 코어가 중앙으로부터 떨어져 있는 위치에 비례하고 극성은 코어의 움직이는 방향에 의해 결정된다.

LVDT의 일실시예의 구성은 코일이 감기는 포머(former), 코어(core), 코어를 지지해주는 지지봉 그리고 케이스(case)로 구성되어 있으며, 이러한 LVDT는 구조상 코어와 코일 사이에 실질적인 접촉이 없기 때문에 기계적인 마모가 생기지 않는다. 따라서, 출력에 영향을 주는 마찰이 적기 때문에 응답특성을 높일 수 있고, 과부하에 의한 영향이 없다. 고온과 저온의 상태, 염기를 포함하고 있는 환경 등에서 LVDT의 수명은 짧아지고 정상적인 동작을 기대하기는 어렵다. 이러한 사항들은 고려하여 포머의 재질로 강도, 내부식성, 습도 등에 강하고 직진도, 평행도 등이 우수한 세라믹이 있으나, 이는 가공이 어려우며 가공 과정에서 발생한 치수 오차를 재조정하기 어렵고 세라믹 포머와 코어 사이의 마찰은 타 재질에 비해 더 크기 때문에 마모가 쉽게 일어난다. 합성수지 계통의 재질은 포머의 직진도 및 휨이 세라믹보다 못하지만 내충격, 내열, 내한성이 높고 포머와 코어의 마찰은 출력에 영향을 미칠만큼 나쁘지 않기 때문에 LVDT의 포머로 사용한다. 코어로 사용되는 재료는 환경변화에 대한 영향을 적게 받으며 투자율이 높은 자성체를 선택하여야 하고, 1차와 2차 코일 사이에서 발생하는 와전류 현상을 줄이고, 외부로부터 야기되는 자속이 LVDT에 끼치는 영향을 줄이기 위한 차폐케이스를 사용하여야 한다.

이러한 LVDT는 일반적으로 미소한 변위 측정에 사용되므로 본 발명에 사용하기 바람직하다.

그러나, 상기 제 1,2 변형률측정센서(20,21)는 갭센서 또는 레이저 변위센서를 이용한 변위전달기구를 통해 변위를 측정할 수도 있으며, 그 장치에 한정을 두는 것은 아니다.

도 4 는 일반적인 갭센서에 관한 간단한 예시도이며, 도 5 는 갭센서를 충격시험기에 적용한 예시도이고, 도 6 은 레이저 변위센서를 충격시험기에 적용한 예시도이다.

갭센서(200)는 갭센서반응부(201)의 이동에 따라 그 변위를 측정 할 수 있는데 도 5 에서와 같이 시편의 위치가 변동될 경우 갭센서와 갭센서반응부의 상대적인 위치가 변동됨으로 그 변위를 알 수 있다.

레이저 변위센서(210)는 그립(24)에 부착된 반사판(211)에 반사되는 레이저 조사위치에 따라 그 변위를 확인할 수 있는데 도 6 에서와 같이 시편(7)의 위치가 변동될 경우 반사판(211)의 위치도 변동됨에 따라 레이저 조사위치가 변동됨으로 그 변위를 알 수 있다.

상기 제 1,2 변형률측정센서(20,21)는 도 2 에 도시된 바와 같이, 시험을 요하는 시편(7) 양단에 그립(24,24`)을 부착하며, 그 부착함에 있어 조임볼트(25)로 결합한다. 상기 조임볼트(25) 대신에 접착제나 용접을 이용할 수도 있다.

상기 양단의 그립(24,24`)은 각각 상단코어(22)와, 하단코어(23)에 결합되고, 상기 상단코어(22)와, 하단코어(23)는 제 1,2 변형률측정센서, 즉 LVDT로 삽입된다.

상기 LVDT는 최대한 시편에 가깝게 연결되는 것이 바람직하다. 시편에 가깝게 연결될수록 그립의 변형으로 인해 발생하는 변형률 측정시 오차를 줄일 수 있다. 따라서, LVDT 코어를 튜브형태로 가공하여 시편과 가까운 쪽에서 그립과 연결 하는 것이 바람직하다.

충격하중측정센서(3)는 충격하중을 직접적으로 측정하기 위해 상단의 그립(24)에 일측을 연결한다.

상기 충격하중측정센서(3)는 반응속도가 빠르며 충격시험의 대상에 따라 용량의 변경이 가능한 로드셀을 사용하는 것이 바람직하다.

로드셀은 외력에 의해 비례적으로 변하는 탄성체와 이를 전기적인 신호로 바꾸어주는 스트레인게이지를 이용한 하중감지센서이다.

도 7 은 인장충격하중을 가하기 위한 그립의 상세도이며, 도 8 은 전단충격하중을 가하기 위한 그립의 상세도이고, 도 9 는 압축충격하중을 가하기 위한 그립의 정면도이다.

충격자(4)는 상기 하단의 그립(24`) 끝단에 일측이 충격전달핀(41)으로 연결되어 상기 시편(7)에 충격을 전달하는 유닛이다.

상기 구동부(1) 일측과 상기 충격자(4) 타측에 서로 연결하여 상기 구동부(1)에서 발생하는 힘을 상기 충격자(4)에 전달하는 충격전달바(40)가 구비되어 있다.

도 7 의 충격자(4)는 인장/전단 및 압축충격하중에 사용할 수 있는 다용도 유닛이다.

충격전달바(40)는 도 7 에 도시된 바와 같이, 상기 충격자(4) 내부에 삽입되어 있으며, 충격전달바(40)가 상승시 충격자(4)를 들어올리며, 충격전달바(40)가 하강시 걸림부에 의해 충격자(4)를 당기게 한다.

충격자(4)와 충격전달바(40)는 인장/전단 및 압축충격하중시험에 따라 그 구성과 형상이 특화된 유닛으로 교체할 수 있다.

인장/전단충격하중시험시 도 8 에 도시된 바와 같이, 걸쇠형태로 형성된 인장/전단용충격자(4a)와, 상기 인장/전단용충격자(4a) 내부에 구비되어 못처럼 생긴 인장/전단용충격전달바(40a)로 구성되어 인장/전단용충격전달바(40a)가 하강시 걸쇠형태로 형성된 인장/전단용충격자(4a)하부 가이드선에 걸쳐져 하향하여 시편(7)이 당겨지게 된다.

이때, 그립(24a,24a`)은 시편(7)을 수직으로 부착하도록 기역자로 형성된 그립(24a,24a`)으로 교체하여 설치한다.

압축충격하중시험시 도 9 에 도시된 바와 같이, 망치형태로 형성된 압축용충격자(4b)와, 마찬가지로 상기 압축용충격자(4b)에 상응하는 형태로 형성된 압축용충격전달바(40b)로 구성되어 압축용충격전달바(40b)가 상기 압축용충격자(4b)에 타격 및 가압하여 시편(7)에 힘을 전달하게 된다.

프레임(5)은 전체 외형을 이루는 메인프레임(50)과, 상기 메인프레임(50) 상부에 설치된 제 1 크로스바(51)와, 상기 메인프레임(50) 하부에 설치된 제 2 크로 스바(52)로 이루어지며, 상기 프레임(5) 하단에는 상기 구동부(1)가 설치된다.

상기 메인프레임(50)은 평판지지부(500)에 결합된 적어도 두개의 실린더(501)가 주축으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 메인프레임(50)은 스테인리스 스틸군으로 제작되는 것이 바람직하다.

이때, 두 개의 실린더(501)는 각 크로스바(51,52)에 가이드되어 변형률이 감쇄한다.

따라서, 각 크로스바는 적어도 1개 이상인 것이 바람직하다.

상기 제 1 크로스바(51)에는 상기 충격하중측정센서(3)의 타측에 연결되며 시편(7)과 그립(24,24`)을 구동부(1)와 정렬하기 위한 정렬조정부(30)가 구비된다.

상기 제 2 크로스바(52)에는 상기 제 1,2 변형률측정센서(20,21)을 상기 구동부(1)를 기준으로 중심축에 고정시키기 위해 센서지지부(6)가 설치된다.

상기 센서지지부(6)는 상기 제 2 크로스바(52)에 수직으로 설치되는 지지실린더(60)와, 상기 지지실린더(60)에 일측이 고정되고 타측에 상기 제 1,2 변형률측정센서(20,21)를 상기 구동부(1)가 구동하는 중심축에 정렬을 이루도록 고정시키는 상단연결부(61) 및 하단연결부(62)로 이루어져 있다(도 7 참조).

또한, 상기 메인프레임(50) 평판지지부(500) 중심축 일단에 시편체결 및 높이조절을 위한 높이조절기(53)가 설치되어 있다.

상기 높이조절기(53)는 높이조절을 위해 핸들을 사용한 수동 또는 모터나 유공압시스템을 사용한 전자동으로 구동될 수 있다. 상기 높이조절기(53)의 핸들 구동 또는 모터나 유공압시스템 구동은 통상적인 구동방식이므로 상세한 설명은 생략 한다.

한편, 상기 제 2 크로스바(52)의 중앙에는 상기 충격전달바(40)가 관통되며, 상기 구동부(1)의 구동에 상기 충격전달바(40)가 선형적인 움직임으로 구동되도록 유도하는 선형부싱(54)을 더 포함하여 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제 1,2 크로스바(51,52)는 메인프레임(50)의 실린더(501)를 따라 상하로 움직이는 것이 가능하다.

본 실시예에서는, 제 1 크로스바(51)가 높이조절기(53)에 의해 높이조절이 가능하다.

이하 본 발명의 실시예에 의한 작용을 첨부도면과 연계하여 설명하면 다음과 같다.

여기서, 제 1,2 변형률측정센서(20,21)는 LVDT센서로, 충격하중측정센서(3)는 로드셀을 기준으로 설명한다.

도 1 및 도 2, 도 7, 도 8, 도 9를 참조하면, 본 발명은 인장, 전단, 압축충격하중시험에 따라 그 형태가 가공되어 형성된 한 쌍의 그립(24,24`;24a,24a`)을 상기 상단코어(22) 및 하단코어(23)에 각 결합하고, 상기 상단코어(22)와 하단코어(23)를 제 1,2 변형률측정센서(20,21)에 삽입한다.

그리고, 상기 제 1 변형률측정센서(20)는 상기 상단연결부(61)에, 상기 제 2 변형률측정센서(21)는 상기 하단연결부(62)에 고정한다.

여기서, 상기 제 1 변형률측정센서(20)의 그립(24)을 상기 충격하중측정센서(3)와 연결하고, 상기 충격하중측정센서(3)를 정밀하게 정렬시킨 후 상기 제 1 크로스바(51)에 상기 정렬조정부(30)로 고정한다.

또한, 상기 하단의 그립(24`)는 충격자(4)와 충격전달핀(41)으로 고정한다.

여기서, 인장, 전단, 압축충격하중시험의 특성에 따라 충격자(4,4a,4b)와 충격전달바(40,40a,40b)는 특화된 유닛으로 교체될 수 있다.

그리고, 높이조절기(53)를 돌림으로서 제 1 크로스바(51)의 위치가 조절되기 때문에 시편(7)의 장착 및 탈거가 용이하다.

충격하중이 가해지는 원리를 설명하면 다음과 같다.

먼저 인장충격하중과 전단충격하중이 가해지는 경우는 도 7 및 도 8 를 참조하면, 구동부(1)에 연결된 충격전달바(40,40a)가 기준위치에서 상승 후 하강하면서 충격자(4,4a)를 가격하거나 바로 하강하면서 충격자(4,4a)와 충돌하게 된다. 충격자(4,4a)에서 발생된 충격하중은 충격전달핀(41)을 통해 하단의 그립(24`)으로 전달되게 된다. 이를 위해서 충격전달바(40,40a)는 끝단에 못의 머리처럼 생긴 해머를 형성하며, 충격자(4,4a)는 해머가 가속하여 충돌할 수 있도록 내부가 비어있고, 해머가 충돌하는 부분은 막혀있게 된다. 충격자(4,4a)의 상단부에는 충격전달핀(41)을 꽂을 수 있는 구멍이 형성되어 있다. 따라서, 충격전달핀(41)은 충격자(4,4a)와 그립(24`)의 구멍을 동시에 관통하면서 충격하중전달의 역할을 하게 된다.

전단충격하중을 가하기 위해서는 하단의 그립(24a`)과 상단의 그립(24a)은 도 8에 도시된 바와 같이 수직가공하여 형성된 것을 사용한다.

압축충격하중을 가해지는 경우와 관련하여 도 9 를 참조하면, 충격전달바(40)를 압축용충격전달바(40b)로 교체하고, 충격자(4,4a)를 압축용충격자(4b)로 교체하여 사용한다. 이때는 압축용충격전달바(40b)가 기준위치에서 하강 후 상승하거나 바로 상승하면서 압축용충격자(4b)에 압축충격을 전달하게 된다.

또한, 도 7 에서의 충격자(4)와 충격전달바(40) 또한 내부에 망치머리와 받침면이 형성되어 있으므로 압축충격하중에 대응하여 사용이 가능하다.

충격파형은 몇가지의 방법으로 그 크기를 결정해줄 수 있다. 예를 들어, 구동부(1)의 전자기코일(10)에 가해지는 전류의 크기와 시간을 조절해서 충격전달바(40)의 속도를 바꾸어 충격파형의 크기와 파형을 결정할 수 있다. 또한, 충격자(4)와 인장/전단용충격자(4a), 압축용충격자(4b), 충격전달바(40)와 인장/전단용충격전달바(40a), 압축용충격전달바(40b), 충격전달핀(41), 그립(24,24`;24a,24a`)의 재질을 바꾸어 충격하중의 크기와 파형을 결정할 수 있다. 재료는 점탄성 성질을 보이지 않는 금속재료를 사용하는 것이 바람하며, 충격자(4)의 내외부에 특정한 재료를 붙이거나 적합한 형상으로 가공함으로써 파형의 크기와 형태를 결정할 수 있다.

이러한 제 1,2 변형률측정센서(20,21)의 신호를 이용하여 시편의 변형률과 변형률 속도는 다음의 수학식 1과 수학식 2를 통해서 구하게 된다.

본 발명의 일 실시예로서, PCB와 같은 전자부품 또는 소형 시편을 시험하는 경우를 설명한 것으로, 도 10 은 전자부품 또는 소형 시편을 그립에 고정한 예시도이고, 도 11 은 전자부품 또는 소형 시편을 고정하는 그립의 각도를 달리한 예시도이다.

적어도 하나의 솔더볼조인트(70)와, 상기 솔더볼조인트(70)양편에 접하고 있는 패드(71)와, 상기 각 패드(71)를 접하고 있는 구리판(72)과, 땜납(73)으로 이 루어진 시편을 그립(24)으로 고정하여 시행한다.

상기 전자부품의 시편은 인장 또는 복합 및 전단충격시험에 따라 그 각도를 달리하는데, 도 11 에 도시된 바와 같이, (a)는 인장시험시 그립의 각도를 0도를 유지하며, (b)는 그립의 각도를 45도로 유지하여 복합적인 시험시 유용하며, (c)는 전단시험시 그립의 각도를 90도로 가공하여 설치한다.

도 12 는 각 센서와 구동부를 제어하는 제어장치의 상관관계도이다.

본 발명의 충격시험기의 구동부(1)의 제어 및 상기 제 1,2 변형률측정센서(20,21) 및 충격하중측정센서(3)의 측정을 위해선 제어장치를 필요로 하게된다.

도 12 의 도시된 제어장치의 구성은 이를 참고하기 위한 도면으로 일반적으로 시행하고 있는 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.

이상과 같이, 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시 예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시 예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에 본 발명이 상기의 실시 예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 된다. 따라서 상기에서 설명한 것 외에도 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람은 본 발명의 실시 예에 대한 설명만으로도 쉽게 상기 실시 예와 동일 범주 내의 다른 형태의 본 발명을 실시할 수 있거나, 본 발명과 균등한 영역의 발명을 실시할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 응력과 변형률 측정이 가능한 반복 충격 시험기로서, 다양한 충격하중에 대해 충격하중과 변형률과 변형률속도를 동시에 측정하면서 충격시험을 수행할 수 있으며, 반복 충격시험도 용이하게 행할 수 있다.

이로써 충격하중에 대한 다양한 연구가 가능하게 되어 전자부품이나 모바일 기기 등 충격하중을 받는 재료에 대한 충격특성연구가 한층 성숙해질 수 있으며, 나아가 반복충격하중 시험 수행을 통한 제품의 신뢰성을 평가할 수 있다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명이다.

Claims

시험 대상물인 시편의 양단을 각 일단에 고정하는 제 1 및 제 2 그립과;

상기 제 1 및 제 2 그립의 변위를 측정한 후 그 차를 이용하여 시편의 변형률을 측정하도록 하는 제 1 및 제 2 변형률측정센서와;

상기 제 1 그립의 시편과 연결되지 않은 단부에 연결된 충격하중측정센서와;

상기 제 2 그립의 시편과 연결되지 않은 단부에 일측이 연결되어 상기 시편에 충격하중을 전달하는 충격자와;

상기 충격자의 타측에 연결되어 상기 충격자를 움직여 상기 제 2 그립을 경유하여 상기 시편에 충격하중이 인가되도록 하는 구동부를 포함하는 충격시험기.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 그립은 시험에서 요구되는 충격하중의 방향에 따라 상기 시편을 고정하는 그립면의 각도를 소정의 각도로 변경할 수 있는 것을 특징으로 하는 충격시험기.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 변형률측정센서는 상기 각 그립과 연결된 코어와, 상기 코어의 변위를 측정하는 측정부를 구비하는 LVDT를 이용하는 것을 특징으로 하는 충격시험기.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 변형률 측정센서는 갭센서 또는 레이저 변위센서를 이용한 변위 전달기구를 통해 변위를 측정하는 것을 특징으로 하는 충격시험기.
제 1 항에 있어서,

상기 충격하중측정센서는 시편의 재질에 따라 적절한 용량을 갖는 로드셀을 이용하는 것을 특징으로 하는 충격시험기.
제 1 항에 있어서,

상기 구동부는 자기장을 형성시키는 자석과, 상기 자기장 내에서 종동운동을 하는 전자기코일로 이루어진 것을 특징으로 하는 충격시험기.
제 6 항에 있어서,

상기 구동부의 전자기 코일의 복원력을 증진시키기 위해 상기 전자기 코일을 지지하는 탄성체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 충격시험기.
제 1 항에 있어서,

상기 구동부는 전자석, 유공압 또는 가스건을 이용한 가속장치로 이루어진 것을 특징으로 하는 충격시험기.
제 1 항에 있어서,

상기 구동부의 구동을 제어하는 제어장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 충격시험기.
제 1 항에 있어서,

상기 충격자의 타측과 상기 구동부 일측에 서로 연결되어 상기 구동부에서 발생하는 힘을 상기 충격자에 전달하는 충격전달바를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 충격시험기.
제 1 항에 있어서,

상기 충격자는 인장 및 전단충격하중 또는 압축충격하중에 대응하여 각각 걸쇠형 또는 망치형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 충격시험기.
제 1 항에 있어서,

상기 각 측정센서와 구동부의 외형을 구속하여 일체형을 이루도록 하는 프레임을 더 포함하는 충격시험기.
제 12 항에 있어서,

상기 구동기의 선형성과 정렬을 위해 상기 프레임에 마련되어 충격전달바가 좌우로 이탈하지 않고 상하로 이동할 수 있도록 가이드하는 적어도 하나의 선형부싱을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 충격시험기.
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