JP6748788B2 - 空圧基盤触覚センサー - Google Patents

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Description

本発明は、微細接触圧力の感知のための触覚センサーに関し、より詳細には、外力による履歴現像および外部電磁気、温度によるノイズ発生を最小化し、水中のように極限環境でも使用が可能な空圧基盤の触覚センサーに関する。
接触を通じた周辺環境の情報、つまり、接触力、振動、表面の粗度、熱伝導度に対する温度変化などを獲得する触覚機能は、次世代の情報収集媒体として認識されている。触覚感覚を代替できる生体模倣型触覚センサーは、血管内の微細手術、疾病診断などの各種医療診断および施術に使用されるだけでなく、ロボットや生体移植型腕と脚などに使用され、今後の仮想環境実現技術で重要な触覚提示技術に適用可能であるため、その重要性が高まっている。
生体模倣型触覚センサーは、すでに産業用ロボットの手首に使用されている６−ｗａｙ自由度の力／トルクセンサーとロボットのグリッパー（ｇｒｉｐｐｅｒ）用で接触圧力および瞬間的な滑りを感知することができるが、これは感知部の大きさが比較的大きいため、敏感度が低いという問題があった。
一方、微小機電集積システム（ＭＥＭＳ）製作技術を利用して触覚センサーの開発の可能性を提示したことがあり、工程技術が発展したシリコンウエハーや最近は柔軟な素材を利用した触覚センサーが開発されている。
前述のような静的触感センサーは、外部から伝達される応力が直接的にセンサーまたはセンサー電極に伝達されて変形による抵抗信号または電気容量の変化などとして感知するようになる。このようなセンサー／センサー電極は、柔軟な高分子に基づくナノ複合素材を用いる場合、外力による履歴（ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）現像が大きいか、または接触部分と感知部分が共にあるため、外部電磁気、温度によるノイズ発生が常時存在して信号再現性および安定性に問題が提起されることがあり、水中のような極限環境では電子機器の使用が制約的であるように、触覚センサーが水中のような極限環境に露出してはならないという短所があり、さらに感知可能な応力の範囲が広ければ敏感度が小さくなり、敏感度が大きい感知性能を有する触覚センサーは感知可能な応力の範囲が小さいという短所があるため、使用が制約的であるという問題が提起されることがある。
本発明の一側面は、外部から伝達される応力により空圧を発生させた後、これを空圧受信部センサーに伝達してセンサーの抵抗値変化によりセンサーに加えられる微細応力を測定するようになる、空圧基盤触覚センサーを提供する。
また、空圧発生部と空圧受信部を空圧伝達ラインを通じて分離構成が可能な空圧基盤触覚センサーを提供する。
本発明の一実施例による空圧基盤触覚センサーは、一面に印加される外部の荷重により空圧を発生させる触覚送信空圧部；および前記触覚送信空圧部の空圧の大きさを変位に変換させて前記荷重を測定する触覚受信センサー部；を含む。
前記触覚受信センサー部は、磁気抵抗センサー（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｓｅｎｓｏｒ）、静電容量センサー（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｓｅｎｓｏｒ）、圧電抵抗センサー（Ｐｉｅｚｏ−ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｓｅｎｓｏｒ）、接触抵抗センサー（Ｃｏｎｔａｃｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｓｅｎｓｏｒ）の中から選択されるいずれか一つを含むことができる。
前記触覚受信センサー部は、前記触覚送信空圧部の空圧の大きさを磁束の強さに変換させる磁束基盤変位部；および前記磁束基盤変位部の磁束の強さを磁気抵抗センサーを通じて感知して前記荷重の大きさを測定する磁気抵抗センサー部；を含むことができる。
前記触覚受信センサー部は、前記触覚送信空圧部と互いに離隔して配置され、前記触覚送信空圧部の空圧を前記触覚受信センサー部に伝達するように前記触覚送信空圧部と前記磁束基盤変位部を連結する触覚伝達空圧ライン；をさらに含むことができる。
前記触覚送信空圧部は、内部に第１空間が形成され、一側に第１開放面が形成され、他側に空圧吐出口が形成されたハウジング；および前記第１開放面を密閉する弾性材質の感知メンブレイン；を含み、前記第１開放面の断面積は、前記空圧吐出口の断面積より大きく形成されてもよい。
前記磁束基盤変位部は、内部に第２空間が形成され、一側に前記空圧吐出口と連通する空圧流入口が形成され、他側に第２開放面が形成され、前記第２開放面を密閉する伝達メンブレイン；および前記伝達メンブレインに結合される永久磁石；を含むことができる。
前記磁気抵抗センサー部は、内部に第３空間が形成され、一側に前記磁束基盤変位部の結合を通じて密閉されるように第３開放面が形成され、前記第３開放面を通じて前記伝達メンブレインおよび永久磁石が露出し、前記磁気抵抗センサー部は、前記永久磁石の磁束を感知するように備えられる磁気抵抗センサー；を含むことができる。
前記永久磁石の磁束の強さまたは前記永久磁石の位置により触覚センサーの敏感度および測定範囲が調節されてもよい。
本発明の一実施例による空圧基盤触覚センサーは、外力を空圧による非接触方式で感知することによって履歴現像が防止されてセンサーの敏感度および正確度が向上することができる。
また、外力を感知する空圧発生部と、これを測定する空圧受信部とが空圧ラインを通じて離隔配置が可能であるため、外部電磁場や、温度に敏感な電気素子センサーの問題点を克服することができ、一般に触覚センサーを利用して感知が難しい低／高温や水中でも測定が可能であるという長所がある。
本発明の一実施例による空圧基盤触覚センサーアレイの斜視図である。 本発明の一実施例による触覚送信空圧部の投影斜視図である。 図２のＡ−Ａ’方向の断面図である。 本発明の一実施例による触覚受信センサー部の投影斜視図である。 図４のＢ−Ｂ’方向の断面図である。 本発明の一実施例による触覚感知センサー利用時に触覚荷重（圧力）による感知信号（電圧）を時間により示すグラフである。 本発明の一実施例による触覚感知センサー利用時に触覚荷重（圧力）による感知信号（電圧）を示すグラフである。 本発明の一実施例による触覚感知センサーの触覚送信空圧部が空気中または水中に位置する場合、触覚荷重（圧力）による感知信号（電圧）を示すグラフである。
以下、添付した図面を参考として本発明の実施例について本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳細に説明する。本発明は多様な異なる形態に実現することができ、ここで説明する実施例に限定されない。
図面において、本発明を明確に説明するために、説明上不要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付した。
また、図面に示された各構成の大きさおよび厚さは、説明の便宜のために任意に示したため、本発明が必ず図示されたものに限定されるのではない。
明細書全体において、ある部分が他の部分と「連結」されているという時、これは「直接的に連結」されている場合だけでなく、他の部材を間に置いて「間接的に連結」されているものも含む。また、ある部分がある構成要素を「含む」という時、これは特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
明細書全体において、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「〜上に」あるという時、これは他の部分の「直上に」ある場合だけでなく、その中間にまた他の部分がある場合も含む。そして「〜上に」とは、対象部分の上または下に位置することを意味し、必ず重力方向を基準に上側に位置することを意味するのではない。
図１には、本発明の一実施例による空圧基盤触覚センサー１０００（以下、「触覚センサー」）の斜視図が示されている。
図示されているように、触覚センサー１０００は、触覚送信空圧部１００（以下、「空圧部」）、触覚受信センサー部２００（以下、「センサー部」）および触覚伝達空圧ライン３００（以下、「空圧ライン」）が基本パッケージからなり、複数の空圧部１００、センサー部２００および空圧ライン３００を含んで空圧基盤触覚センサーアレイを構成することもできる。空圧部１００では外部磁極を通じて空圧を生成し、空圧ライン３００は空圧部１００で生成された空圧をセンサー部２００に伝達する。
センサー部２００は、空圧部１００で生成された空圧を空圧ライン３００から伝達されて変位を発生させる触覚受信変位部と、前記触覚受信変位部で発生した変位を感知して触覚荷重を測定する感知部とから構成される。
センサー部２００は、磁場の強さ変化を感知して抵抗値が変化する磁気抵抗センサー、または外部から伝達される応力により発生した空圧をセンサー部に伝達して二つの電極板の間の距離を変化させて静電容量が変化する静電容量センサー（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｓｅｎｓｏｒ）、金属あるいは半導体結晶に外力を加えると半導体結晶の抵抗比が変化する圧電抵抗センサー（Ｐｉｅｚｏ−ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｓｅｎｓｏｒ）、二つの導体板の接触面積により抵抗値が変化する接触抵抗センサー（Ｃｏｎｔａｃｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｓｅｎｓｏｒ）など、センサーに微細応力を印加することによってセンサーの変化値を測定するようになる多様な物理的変化値の変化に基づくセンサーが使用可能であり、本実施例では作動範囲と敏感度が最もよい磁気抵抗センサーを詳細に説明するが、これに限定されるのではない。
本発明の一実施例によるセンサー部２００は、空圧部１００の空圧を磁束に変換する磁束基盤変位部２１０と磁束基盤変位部２１０の磁束変化を通じて磁気抵抗を感知して外部接触圧力強さを測定する磁気抵抗センサー部２２０とに区分される。
以下、前記空圧部１００と、センサー部２００の細部構成について図面を参照して詳細に説明する。
図２には、本発明の一実施例による空圧部１００の投影斜視図が示されており、図３には、空圧部１００の断面図が示されている。ここで図３は理解の便宜のために構成を単純化して示した。
図２および図３を参照すると、空圧部１００は、ハウジング１１０と感知メンブレイン１２０を含むことができる。ハウジング１１０は、内部に第１空間１１１が形成された箱体上で一側に第１開放面が形成され、他側には空圧吐出ホール１１５が形成されてもよい。例えば、図３に示されているように、ハウジング１１０の下面が開放され、上側に空圧吐出ホール１１５が形成されてもよい。しかし、第１開放面と空圧吐出ホール１１５の位置はハウジング１１０の多様な位置に配置されてもよい。参考までに、図１および図２ではハウジング１１０の上側に空圧吐出ホールが形成されないか、またはハウジング１１０の側面に空圧吐出ホールが形成された様子を示したが、図３では理解の便宜のためにハウジング１１０の上側に空圧吐出ホール１１５が形成された様子を示した。図面に示されているように空圧吐出ホールの位置が変形された形態は全て本発明の実施例に含まれるものである。
一方、前述したハウジング１１０は、３Ｄプリンティングを利用して製作されてもよく、その形状は多様に注文型に応じて変形して製作されてもよい。単に圧力により変化が生じないように剛性を有すればよい。
感知メンブレイン１２０は、ハウジング１１０の第１開放面、例えば図３に示されているようにハウジング１１０下部の開放面を密閉するように構成され、弾性材質からなる。一例としてＰＤＭＳ（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）材質からなってもよいが、これに限定されず、柔軟性のある弾性高分子のうちの一つであってもよい。
感知メンブレイン１２０の下側には触覚荷重を直接的に感知する触覚受信ブロック１５０が備えられてもよく、触覚受信ブロック１５０の断面積は感知メンブレイン１２０の断面積より狭く形成されてもよい。触覚受信ブロック１５０を通じて触覚荷重を感知し、これを感知メンブレイン１２０に伝達して感知メンブレイン１２０を通じて圧力変化が感知されると感知メンブレイン１２０が上側へ変形するようになり、ハウジング１１０内部の空気が空圧吐出ホール１１５を通じて押されて出て空圧を発生させることができる。この時、空圧吐出ホール１１５を通じて発生される空圧が増幅されるようにハウジング１１０の開放面（第１開放面）の断面積Ｗ１は空圧吐出ホール１１５の断面積Ｗ２より広く形成されてもよい。開放面Ｗ１の断面積が狭く形成される場合、空圧が形成されないか、または低く形成されることがあるためである。空圧吐出ホール１１５は空圧ライン３００の一端に連結されてもよい。
図４には、本発明の一実施例によるセンサー部２００の投影斜視図が示されており、図５には、センサー部２００の断面図が示されている。ここで図５は理解の便宜のために構成を単純化して示した。
図４および図５を参照すると、センサー部２００は、磁束基盤変位部２１０と磁気抵抗センサー部２２０を含むことができる。磁束基盤変位部２１０は、伝達メンブレイン２１２を含み、永久磁石２５１が備えられてもよい。磁束基盤変位部２１０は、内部に第２空間２１１が形成された箱体上で一側に空圧流入ホール２１５が形成され、他側に第２開放面が形成されてもよい。例えば、図５に示されているように、磁束基盤変位部２１０の下面が開放され、上側に空圧流入ホール２１５が形成されてもよい。しかし、第１開放面と空圧吐出ホール１１５の位置はハウジング１１０の多様な位置に配置されてもよい。参考までに、図１および図４では磁束基盤変位部２１０の上側に空圧流入ホールが形成されないか、または磁束基盤変位部２１０の側面に空圧流入ホールが形成された様子を示したが、図５では理解の便宜のために磁束基盤変位部２１０の上側に空圧流入ホール２１５が形成された様子を示した。図面に示されているように空圧流入ホールの位置が変形された形態は全て本発明の実施例に含まれるものである。
一方、前述した磁束基盤変位部２１０は、３Ｄプリンティングを利用して製作されてもよく、その形状は多様に注文型に応じて変形して製作されてもよい。
磁束基盤変位部２１０の下部開放面は、伝達メンブレイン２１２を通じて密閉されてもよく、永久磁石２５１は、伝達メンブレイン２１２に挿入または伝達メンブレイン２１２の下側に結合して備えられてもよい。伝達メンブレイン２１２は、空圧に敏感な信号伝達のために弾性係数が低い材質からなってもよい。一例として弾性係数（Ｙｏｕｎｇ’ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ）が低いエコフレックス材質からなることができるが、これに限定されず、柔軟性のある弾性高分子のうちの一つを用いることができる。一端が空圧吐出ホール１１５に連結された空圧ライン３００の他端は空圧流入ホール２１５に連結されて空圧部１００で発生される空圧が伝達されるようになる。伝達された空圧を通じて伝達メンブレイン２１２が下側へ変形する時、伝達メンブレイン２１２に結合された永久磁石２５１も下側へ移動しながら磁束を発生するようになる。
磁気抵抗センサー部２２０は、基板２３０および磁気抵抗センサー２５２を含んで構成される。磁気抵抗センサー部２２０は、内部に第３空間２２１が形成され、磁気抵抗センサー部２２０の一側、例えば図５に示されているように磁気抵抗センサー部２２０の上側に磁束基盤変位部２１０が結合されてもよい。特に磁気抵抗センサー部２２０の上側には伝達メンブレイン２１２および永久磁石２５１が第３空間２２１と連通するように第３開放面、つまり、磁束感知開放面２２５が形成されてもよい。つまり、磁束感知開放面２２５は、磁束基盤変位部２１０の下側を通じて密閉されてもよく、伝達メンブレイン２１２および永久磁石２５１が磁束感知開放面２２５を通じて第３空間２２１に露出するように結合されてもよい。一例として磁気抵抗センサー部２２０は、３Ｄプリンティングを利用して製作されてもよく、その形状は多様に注文型に応じて変形して製作されてもよい。
磁気抵抗センサー部２２０の内部には、基板２３０および基板２３０の上側に結合された磁気抵抗センサー２５２が備えられて永久磁石２５１の磁束を磁気抵抗センサーが感知するように構成される。したがって、磁気抵抗センサー２５２で測定された磁気抵抗値により外部磁極の強さを算出するようになる。
このような構成は外部から伝達される応力により空圧を発生させた後、これをセンサー部２００に伝達して内部磁石の位置変化による磁束の大きさを磁気抵抗センサー２５２の抵抗変化値として触覚センサーに加えられる微細応力を測定するようになるが、空圧を利用するため、履歴発生（ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）が少ないという長所を有することができる。
また、本発明の一実施例による触覚センサー１０００で空圧部１００とセンサー部２００を空圧ライン３００を通じて分離構成するため、空圧部１００とセンサー部２００が離隔して配置されてもよい。これによって、触覚が送信される部分に外部電磁場や温度の変化が激しいか、または水中で触覚送信が行われてもセンサー部２００では影響を受けないという長所がある。
また、本発明の一実施例による触覚センサー１０００は、空圧部１００の感知メンブレイン１２０またはセンサー部２００の伝達メンブレイン２１２の厚さや材質により触覚センサーの敏感度および測定範囲を調節することができる。他の実施例として、伝達メンブレイン２１２に結合される永久磁石２５１の磁束の強さまたは位置によっても触覚センサーの敏感度および測定範囲を調節することができるという長所がある。
図６には、本発明の一実施例による触覚センサー１０００を利用して触覚感知時に触覚荷重（圧力）による感知信号（電圧）を時間により示したグラフが示されており、図７には、本発明の一実施例による触覚センサー１０００を利用して触覚感知時に触覚荷重（圧力）による感知信号（電圧）を示したグラフが示されている。
図６に示されているように、一定の間隔で荷重を増加させて感知信号（電圧）を測定した後、反対に一定の間隔で荷重を減少させて感知信号（電圧）を測定する場合、図７に示されているように圧力の増加による電圧の変化が線形的に増加するようになり、圧力の減少による電圧減少も線形的に減少するように現れることをみることができる。つまり、触覚荷重感知時に履歴発生が最小化されたことが分かる。
図８には、本発明の一実施例による触覚センサー１０００を利用して触覚を感知し、空圧部１００が空気中または水中に位置する場合、触覚荷重（圧力）による感知信号（電圧）を示したグラフが示されている。
図８に示されているように、空圧部１００が空気中に位置した場合はもちろん、水中に位置した場合にも、外部条件による誤差発生なしに圧力が増加することによる電圧の変化が線形的に増加するように現れ、圧力減少による電圧減少も線形的に減少するように現れることをみることができる。つまり、水中で触覚荷重感知時にも履歴発生（ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）が最小化されたことが分かる。
本発明の前述の実施例に限定して技術的な思想を解釈してはならない。適用範囲が多様なことは当然のことであり、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく当業者の水準で多様な変形実施が可能である。したがって、このような改良および変更は当業者に自明なものである限り、本発明の保護範囲に属する。
１０００：空圧基盤触覚センサー
１００：触覚送信空圧部
２００：触覚受信センサー部
２１０：磁束基盤変位部
２２０：磁気抵抗センサー部
３００：触覚伝達空圧ライン

Claims (7)

  1. 一面に印加される外部の荷重により空圧を発生させる触覚送信空圧部、
    前記触覚送信空圧部の空圧の大きさを変位に変換させて前記荷重を測定する触覚受信センサー部、および、
    前記触覚送信空圧部の空圧を前記触覚受信センサー部に伝達するように前記触覚送信空圧部と前記触覚受信センサー部を連結する触覚伝達空圧ライン、を含み、
    前記触覚送信空圧部は、
    内部に第１空間が形成され、一側に第１開放面が形成され、他側に空圧吐出口が形成されたハウジング、前記第１開放面を密閉する弾性材質の感知メンブレイン、および、外部の荷重を感知する触覚受信ブロックを含み、
    前記触覚受信センサー部は、
    内部に第２空間が形成され、前記触覚伝達空圧ラインに連結されて前記触覚送信空圧部の空圧の大きさを変位に変換させる磁束基盤変位部、および、内部に第３空間が形成され、前記磁束基盤変位部の変位を感知して前記荷重の大きさを測定する磁気抵抗センサー部、を含み、
    伝達メンブレインが前記磁束基盤変位部と前記磁気抵抗センサー部との間に備えられて前記第２空間と前記第３空間を区画し、
    前記触覚受信ブロックは、前記感知メンブレインの下側に突出し、断面積が前記メンブレインの断面積より小さく形成される、空圧基盤触覚センサー。
  2. 前記触覚受信センサー部は、
    磁気抵抗センサー（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｓｅｎｓｏｒ）、静電容量センサー（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｓｅｎｓｏｒ）、圧電抵抗センサー（Ｐｉｅｚｏ−ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｓｅｎｓｏｒ）、接触抵抗センサー（Ｃｏｎｔａｃｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｓｅｎｓｏｒ）の中から選択されるいずれか一つを含む、請求項１に記載の空圧基盤触覚センサー。
  3. 前記磁束基盤変位部は、
    前記触覚送信空圧部の空圧の大きさを磁束の強さに変換させ、
    前記磁気抵抗センサー部、前記磁束基盤変位部の磁束の強さを磁気抵抗センサーを通じて感知して前記荷重の大きさを測定する、請求項１に記載の空圧基盤触覚センサー。
  4. 前記触覚送信空圧部は、
    前記第１開放面の断面積は、前記空圧吐出口の断面積より大きい、請求項１に記載の空圧基盤触覚センサー。
  5. 前記磁束基盤変位部は、
    一側に前記空圧吐出口と連通する空圧流入口が形成され、他側に第２開放面が形成され、
    前記第２開放面を密閉する前記伝達メンブレイン、および、
    前記伝達メンブレインに結合される永久磁石、
    を含む、請求項１に記載の空圧基盤触覚センサー。
  6. 前記磁気抵抗センサー部は、
    一側に前記磁束基盤変位部の結合を通じて密閉されるように第３開放面が形成され、
    前記第３開放面を通じて前記伝達メンブレインおよび永久磁石が露出し、
    前記磁気抵抗センサー部は、
    前記永久磁石の磁束を感知するように備えられる磁気抵抗センサー、
    を含む、請求項５に記載の空圧基盤触覚センサー。
  7. 前記永久磁石の磁束の強さまたは前記永久磁石の位置により触覚センサーの敏感度および測定範囲が調節される、請求項５に記載の空圧基盤触覚センサー。
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