KR100314326B1 - 이방성전도재료를이용한촉각전단센서 - Google Patents

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Abstract

전단력을 감지할 수 있는 촉각 센서는 전도성 커서와 접촉부 어레이 사이에 위치한 이방성 전도 재료를 포함한다. 양호한 실시예에서, 이방성 재료는 접촉 어레이에 고정되고, 커서는 재료 위에 놓은 탄성체 스킨에 고정된다. 커서의 운동은 커서 위에 놓인 접촉부의 상호 접속에 의해 감지된다. 제 2 실시예에서, 이방성 재료는 커서에 고정되지만 전단력에 반응하는 접촉 어레이상에서 자유 이동할 수 있다. 커서의 이동은 하부 접촉부의 상호 접속에 의해 감지된다. 상기 장치는 압력 및 온도를 감지할 수 있다.

Description

이방성 전도 재료를 이용한 촉각 전단 센서
발명의 분야
본 발명의 이방성(異方性) 전도 재료를 사용한 촉각 전단 센서와 같은 센서에 관한 것이다. 상기 센서는 컴퓨터 관련 제품 및 촉각 로보트 스킨용의 촉각 제어기를 포함하는 광범위한 분야에 응용할 수 있다.
발명의 배경
촉각 센서는 로보트 및 컴퓨터 하드웨어용으로 광범위하게 응용할 수 있다. 로보트에서 촉각 센서는 포착시에 로보트 손과 물체 사이의 접촉 상태에 따라 다양한 형태의 유용한 정보를 제공한다. 센서는 물체, 손의 위치, 접촉력의 상태를 표시하고 물체의 형상에 관한 정보를 제공한다. 불행하게도, 대부분의 로보트 센서는 전단 운동과 관계없이 단지 압축력만을 측정한다. 전단 센서는 예컨대 파지한 물체의 운동을 감지할 수 있다.
컴퓨터 관련 제품용의 대부분의 조정 장치는 키와 같은 압력 감지 장치이다. 컴퓨터 "마우스" 또는 컴퓨터 "제어 장치(joy-stick)"와 같은 제어기는 2차원에서의 운동에 반응하지만 비교적 크고 제조하기 복잡하며 기계적 손상이 가해진다. 따라서, 로보트 및 컴퓨터용으로서, 간단하고 소형인 촉각 전단 센서가 필요하게 되었다.
발명의 요약
전단력을 감지할 수 있는 촉각 센서는 전도성 커서와 접촉 어레이 사이에 위치한 이방성 전도 재료를 포함한다. 양호한 실시예에서, 이방성 재료는 접촉 어레이에 고정되고, 커서는 재료 위에 놓인 탄성체 스킨(skin)에 고정된다. 커서의 운동은 커서 아래 놓인 접촉부의 상호 접속에 의해 감지된다. 제 2 실시예에서, 이 방성 재료는 커서에 고정되지만 전단력에 반응하여 접촉 어레이상에서 자유 이동한다. 커서의 운동은 하부 접촉부의 상호 접속에 의해 감지된다. 상기 장치는 압력및 온도를 감지할 수 있다.
상세한 설명
도면을 참조하면, 제 1 도는 전단력을 감지할 수 있는 촉각 센서의 개략적인 횡단면도이며, 두께 방향(Z)으로 교차하는 이방성 전도 재료로 구성된 이방성 전도 재료층(10)을 포함한다. 이방성 전도 재료층(10)은 회로판의 표면과 같은 비전도성 표면(11)에 부착되며, 전도성 전기 접촉부(12)의 어레이를 포함한다. 전도성 커서(13)는 상기 이방성 전도 재료층(10) 위에 놓이며, 상기 이방성 전도 재료층(10)을 통해 적어도 두개의 접촉부(12) 사이에 전기적 통로를 제공하도록 위치와 크기가 결정된다. 양호하게, 상기 커서는 탄성 중합체 외부층(14)에 부착된다. 윤활유와 같은 윤활제(15)는 상기 이방성 전도 재료층(10)과 외부층(14) 사이에서 밀봉된다.
작동시에, 물체(16)에 의해 커서(13) 근처의 외부층(14)에 가해진 전단력은 외부층(14)을 신장시키고, 접촉부(12)와 관련하여 커서를 측방으로 이동시킨다. 따라서, 이동한 커서(13)는 평형 위치에서 접촉을 이루는 부분 집합체(subset)의 어레이 접촉부와는 다른 부분 집합체의 어레이 접촉부와 이방성 전도 재료층(10)을 통해 접촉하게 되며, 커서의 이동 위치는 하부 접촉부 사이의 상호 접속으로 직접측정할 수 있다. 도시한 바와 같이 예컨대 전압원(V)에 전기 접속이 단지 활주 커서 안에서 가능할 때 인접 패드(12) 사이의 접촉/비접촉의 간단한 기준에 의해 커서 위치는 감지될 수 있다.
커서는 적어도 한쌍의 인접 접촉 패드를 커버할 수 있는 충분한 크기로 해야한다. 전단 운동이 진행되는 동안, 커서 위치, 신장 및 속도는 새로운 접속 또는 비접속된 쌍의 발생을 감지함으로써 연속적으로 검출될 수 있다.
제 2 도는 제 1 도의 센서용 접촉 어레이의 평면도이며, 장방형 격자의 접촉부(12)를 포함한다. 도시한 바와 같이 초기 위치(P1)에서 다음 위치(P2)까지의 커서(13)의 이동은 하부 접촉부(12)의 다른 부분 집합체를 상호 접속한다.
제 3 도는 긴 접촉부(12a)의 제 1 선형 어레이 및 제 1 어레이에 수직인 긴접촉부(12b)의 제 2 선형 어레이를 구비한 다른 실시예의 개략적인 평면도이다. 한쌍의 지서(13A, 13B)는 두개의 직각 방향에서 각각 전단력의 개별 탐지를 허용한다.
제 4 도는 두개의 수직 선형 어레이(12A, 12B)가 절연체(12C)에 의해 서로로 부터 겹쳐 절연되는 것을 제외하고 제 3 도와 유사한 다른 변형 실시예의 평면도이다.
이방성 전도 재료층(10)은 한쌍의 주 표면(10A, 10B)을 가진 합성 재료이며, 상기 주 표면은 비자기 매트릭스 재료(10C)와 주 표면 사이의 Z 방향으로 연장한 자기 입자(10E)의 다수의 컬럼(10D)으로 구성된다. 이방성 재료는 주 표면과 수직방향인 자계(magnetic field) 하에서 자기 금속 입자(10E) 및 매트릭스 재료(10C)의 혼합물을 경화시킴으로서 제조된다. 그 결과 다수의 수직하게 배열되고 측방으로 이격된 전도성 입자들의 컬럼(10D)이 생성되며, 그의 단부는 상부면으로부터 약간 돌출된다.
매트릭스 재료(10C)는 탄성 중합체나 접착제와 같은 중합체 재료나 또는 유리로도 될 수 있다. 매트릭스 재료(10C)는 그의 최종 형태가 유연하거나 단단하게 될 수 있지만, 경화 또는 굳어지기 전에 점성 상태를 거쳐야 한다. 유용한 재료로는 에폭시, 유리, 실리콘 탄성 중합체 및 폴리우레탄 수지를 포함한다. 다수의 적용에 있어서는 투명한 매체가 선호되나, 상기 재료는 또한 장식을 위해 약간 착색될 수도 있다. 대표적인 두께로는 2 내지 5,000㎛이고, 10 내지 500㎛의 범위가 양호하다.
상기 자기 입자(10E)는 전도성 재료의 자기 입자이다. 이것은 Fe, Ni, Co와 같은 자기 금속, Ni80Fe20, SmCo5또는 Nd2Fe14B와 같은 자기 합금 또는 페라이트(굳거나 부드러운)와 같은 자기 산화물로 제조될 수 있다. 양호하게도, 입자는 부식 저항을 위해 그리고 광의 흡수를 감소시키도록 금이나 은으로 코팅된다. 대표적인 입자 직경은 0.1 내지 2000㎛이며, 양호하게는 10 내지 500㎛ 범위에 있게 된다.
제 1 도의 센서는 접촉부(12)의 어레이를 기판 표면에 먼저 제공함으로서 제조될 수 있다. 이것은 본 기술 분야에 잘 공지된 기술에 따른 금속 접촉부의 어레이를 제공하는 인쇄 회로 기판으로 이루어질 수 있다. 다음 단계는 점성 상태의 매트릭스 재료(10C)를 자기 입자(10E, 비자기 상태)와 혼합하는 것이다. 양호하게도 입자의 체적 분율(volume fraction)은 0.5 내지 5%이다. 혼합 후에, 재료는 기판 표면(11)상에 가해지며, 초기 점성 상태에서 이방성 전도 재료층(10) 안에 경화하는 동안에 자계[양호하게는 200 내지 1000 에르스텟(Oe)]의 영향을 받는다. 자계의 효과로 인해 입자는 자화되고, 균일한 영역 밀도로 분포된 이방성 전도 재료층(10)을 통하여 연장된 컬럼(10D)의 형체 내로 점성 재료가 이동된다.
이방성 전도 재료층(10)이 경화되거나 또는 단단한 상태로 된 후에, 윤활유(15)가 노출된 표면에 가해질 수 있다. 커서(13)는 삽입 및/또는 접착에 의해 외부층(14)에 부착되며, 커서를 둘러싼 외부층(14)의 경계는 고정이나 접착에 의해 상기 이방성 전도 재료층(10)에 대해 고정된다.
전단 운동 감지의 결과는 접촉 패드의 크기 및 간격 뿐만 아니라 전도성 컬럼의 크기 및 간격에 의존한다. 많은 전도성 컬럼이 각 패드 영역과 접촉하는 것이 바람직하기 때문에, 패드 크기의 하부 한계는 이방성 전도 재료층(10)의 컬럼 밀도로부터 결정된다. 컬럼 사이의 간격(Y)은 대략 Y = (D2/l.65X)1/2이며, 여기에서 D는 입자 직경이며 X는 체적 분율이다. 따라서, D가 20㎛이고 X가 0.2이면, Y는 약 35㎛이다. 약 2Y x 2Y = 70 × 70㎛의 접촉 패드 크기는 패드당 많은 전도성 컬럼을 가져야 한다. 접촉 패드의 반복 주기가 패드 크기의 두배이면, 감지된 전단 결과는 4Y 또는 140㎛이 된다. D에 대한 차원이 작을수록 작은 거리로 결정될 수 있다.
특정한 예에 있어서와 같이, 제 1 도에 도시한 형태의 센서는 비경화된 제너럴 일렉트릭 RTV 실리콘 탄성 중합체로 이루어진 5 체적%의 은 코팅 니켈 구형체(1,000 웅스트롬의 은으로 코팅된 평균 직경이 20㎛임)로 혼합함으로서 구비된다. 상기 혼합물은 평행 도금 구리 접촉 패드(폭이 250, 높이 50, 간격이 250㎛)를 갖는 인쇄 회로 기판의 표면상에 약 200㎛의 시트인 닥터 블레이드(doctor blade)를 사용하여 펼쳐진다. 상기 층은 600 에르스텟의 수직 자계에서 15분 동안 100℃에서 경화 가열된다. 윤활유의 얇은 층이 경화 표면상에 위치된다.
스킨 재료인 RTV 615 실리콘 탄성 중합체로 구성된 200㎛의 시트는 그 표면에 삽입된 2㎜ 폭의 은박 커서로 제조된다. 상기 탄성 중합체 스킨은 제 1 도에 도시한 바와 같이 노출된 도체 표면과 마주하는 금속 커서와 함께 이방성 도체 위에 위치된다.
핑거-팁 접촉부의 부재시에, 접촉 패드의 모든 인접 쌍은 도시한 개방 회로에 배열된다. 1 내지 10psi의 압력 범위에서 측정한 핑거-팁 접점부를 구비한 세개의 패드쌍은 전기 저항이 0.5 내지 5Ω 범위에 있게 된다. 핑거-팁이 약간 활주하면, 원래의 쌍이 전단 운동을 나타내는 개방 회로로 되는 동안, 다른 쌍은 전기접속된다. 감지된 전단 결과는 약 500㎛이며, 전단 변위의 범위는 5㎜ 이상이 된다.
제 5 도는 다른 센서의 개략적인 횡단면도이며, 표면(11)은 표면 위로 돌출하지 않은 접촉 패드(12)를 구비한 평탄한 면이다. 상기 실시예에서, 이방성 전도 재료층(10)은 한 측면에 고정된 금속 커서를 구비한 독립 구조체인 탄성 시트로서 개별적으로 제조될 수 있다. 시트는 접촉 패드와 마주하는 돌출 입자로 표면(11)상에 위치되며, 상기 이방성 전도 재료층(10)의 표면상에 배열된 커서는 상기 패드(12)로부터 이격된다. 이 실시예에서, 상기 탄성 중합체 시트는 표면(11)상에서 활주하며, 위치의 변화는 제 1 도 실시예에서 감지한 것과 유사한 방법으로 감지될 수 있다.
제 1 도 및 제 5 도의 센서에서 이방성 전도 탄성 중합체를 사용함으로써 많은 장점을 갖는다. 탄성 중합체는 접촉 패드 높이를 패드 높이와 일치시킬 때의 변화로 인해 불확실한 접촉 발생이 생기는 것을 감소시킨다. 또한, 유연한 탄성 중합체는 커서의 마찰 마모를 감소시키고, 접촉 패드를 기계적 충격, 마모 및 대기 부식으로부터 보호한다. 표면 근처의 돌출 입자는 윤활제가 존재할 때도 저압하에서 커서와의 전기 접촉을 허용한다.
제 1 도 및 제 5도에 따른 센서의 다른 장점은 Z 방향에서 압력을 측정하는데 사용할 수 있다는 것이다. Z 방향 압력이 이웃하는 전도성 입자들 사이의 계면에서의 전축 저항을 변화시키므로, 이방성 전도 재료층(10)이 탄성 중합체일 경우상기 측정은 이뤄질 수 있다. 제 6 도는 제 1 도의 구조체를 위한 저항 대 압력의 그래프를 도시한 것이다. 상기 저항 대 압력 지표는 조사한 압력 범위에서 필수적으로 재연될 수 있다. 따라서, 센서는 Z 방향 압력의 크기와 전단력을 동시에 감지할 수 있다. 예컨대, 상기 센서는 3차원에서 모조 운동을 제어할 수 있는 소형컴퓨터 "마우스" 또는 "제어 장치(joy-stick)"로서 사용할 수 있다. 이방성 전도 재료층(10) 내의 다른 열팽창에 의해 온도 자체가 명백히 변하기 때문에, 상기 센서는 온도 변화를 감지하는데 사용할 수 있다.
제 1 도는 본 발명에 따른 센서의 제 1 실시예의 개략적인 횡단면도,
제 2 도, 제 3 도 및 제 4 도는 제 1 도의 센서용 접촉 어레이의 개략적인 평면도.
제 5 도는 본 발명에 따른 센서의 제 2 실시예의 개략적인 횡단면도.
제 6 도는 제 1 도 및 제 5 도에 도시한 형태의 센서를 위한 저항과 접촉력사이의 관계를 도시한 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
11 : 접촉 표면 12 : 접촉부
13 :커서 14 : 외부층
15 : 윤활유

Claims (10)

  1. 비전도성 기판(11)상에 배열된 전도성 전기 접촉부(12)의 어레이와;
    상기 접촉부(12)의 어레이 위에 배열된 이방성 전도 재료층(10), 및 전단력의 적용에 반응하여 이동할 수 있는 탄성 중합체층(10 또는 14)에 부착되어, 상기 이방성 전도 재료층(10)을 통해 적어도 한쌍의 상기 전기 접촉부(12)를 상호 접속하는 전도성 커서(13)를 포함하는 전단력 감지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이방성 전도 재료충(10)은 한쌍의 주 표면(10A, 10B)을 갖는 비자기 매트릭스 재료층과, 상기 주 표면들 사이로 연장한 자기 입자(10E)의 다수의 컬럼(10D)을 포함하는 전단력 감지 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이방성 전도 재료층(10)은 상기 기판(11)에 고정되는 전단력 감지 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 이방성 전도 재료층(10)은 상기 기판에 고정되고, 상기 커서(13)는 이방성 전도 재료층(10) 위에 놓여진 탄성 중합체층(10 또는 14)에 고정되는 전단력감지 센서 .
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성 중합체층(10 또는 14)과 이방성 전도 재료층(10) 사이에는 윤활 재료(15)가 배열되는 전단력 감지 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 이방성 전도 재료층(10)은 접촉부의 상기 어레이 위로 탄성적으로 이동할 수 있는 탄성재료이며, 상기 커서(13)는 이방성 전도 재료층(10)에 부착되는 전단력 감지 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 이방성 재료층(10)과 기판(11) 사이에는 윤활 재료(15)가 배열되는 전단력 감지 센서.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 이방성 전도 재료층(10)은 10 내지 500㎛ 범위의 두께를 가지며, 상기자기 입자(10E)는 10 내지 500㎛ 범위의 직경을 갖는 전단력 감지 센서.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 비자기 매트릭스 재료(10C)는 에폭시, 글라스, 실리콘, 및 폴리우레탄으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 구성되는 전단력 감지 센서.
  10. 제 2항에 있어서,
    상기 자기 입자(10E)는 Fe, Ni, Co, Ni80Fe20, SmCo5, Nd2Fe14B, 및 페라이트로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료의 입자로 구성되는 전단력 감지 센서.
KR1019930022177A 1992-10-30 1993-10-25 이방성전도재료를이용한촉각전단센서 KR100314326B1 (ko)

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