KR100547275B1

KR100547275B1 - 접촉식 전기용량형 센서

Info

Publication number: KR100547275B1
Application number: KR1020040024098A
Authority: KR
Inventors: 김무진; 문원규
Original assignee: 학교법인 포항공과대학교
Priority date: 2004-04-08
Filing date: 2004-04-08
Publication date: 2006-01-31
Also published as: KR20050098657A

Abstract

본 발명은 미소선형변위의 측정을 위한 접촉식 전기용량형 센서에 관한 것이다.

본 발명은, 고정물체상에 전도성패턴이 형성되고 상기 전도성패턴을 균일하게 코팅한 절연막을 포함하는 고정요소, 이동물체상에 전도성패턴이 형성되고 상기 전도성패턴을 균일하게 코팅한 절연막을 포함하며 상기 절연막이 상기 고정요소의 절연막과 맞닿게 배치되는 이동요소, 상기 고정요소 또는 이동요소의 어느 하나의 상기 전도성패턴에 공급되는 전원 및 상기 전원이 인가되지 않는 상기 고정요소 또는 이동요소의 어느 하나의 전도성패턴에 연결되어 상기 이동요소의 이동에 따른 상기 고정요소와 이동요소 사이의 전기용량의 변화를 검출하는 신호검출수단을 포함한다.

따라서, 면적변화 측정 방식의 접촉식 전기용량형 센서가 제공되게 되어, 기계적 설치오차 및 구동방향과 측정방향의 불일치로 인한 오차를 줄일 수 있고 구동방향 이외의 변위오차가 포함될 여지가 없어 신뢰성 높은 측정이 가능하며, 구동방향과 측정방향이 일치하므로 구성시 공간절감을 이룰 수 있고, 미소변위의 측정은 물론 넓은 범위의 변위측정도 안정적으로 가능하여, 종국적으로 전반적인 성능이 대폭 향상되는 효과가 있다.

접촉식, 전기, 용량형, 센서, 변위

Description

접촉식 전기용량형 센서{ELECTRIC CAPACITIVE DISPLACEMENT SENSOR OF CONTACT TYPE}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 접촉식 전기용량형 센서에 대한 개략 구성도,

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따라 다른 전도성패턴의 배열을 가지는 접촉식 전기용량형 센서에 대한 개략 구성도,

도 3은 도 2의 고정요소측 전도성패턴에 대한 평면도,

도 4는 도 2의 이동요소측 전도성패턴에 대한 평면도,

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 힌지(hinge)요소를 구비하는 접촉식 전기용량형 센서에 대한 개략 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 고정요소 12 : 고정물체

14, 14a : 전도성패턴 16 : 절연막

20 : 이동요소 22 : 이동물체

24, 24a : 전도성패턴 24b : 차폐용 전도성패턴

26 : 절연막 30 : 스프링요소

40 : 교류전원 50 : 신호검출회로

60 : 힌지요소 A : 구동기

본 발명은 미소선형변위의 측정을 위한 접촉식 전기용량형 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전도성패턴을 가지는 고정요소와 이동요소가 그 전도성패턴을 덮도록 얇게 코팅된 절연막을 통해 상호 밀착된 상태에서 상대적 평행 이동됨에 따라 변화하는 겹침면적에 상응하는 전기용량(capacitance)의 변화를 측정하여 변위 변화를 확인할 수 있도록 하는 면적변화 측정 방식의 접촉식 전기용량형 센서에 관한 것이다.

일반적으로, 미소선형변위의 측정을 위한 전기용량형 센서(electric capacitive displacement sensor)는 두 전도성평판 사이의 변위 변화에 상응하는 전기용량(capacitance)의 변화를 전기적 신호로 출력하는 센서로서, 두 전도성평판을 평행하도록 대향되게 위치시켰을 때, 두 평판 사이의 전기용량은 두 평판 사이의 매질의 유전율과 마주보는 두 평판의 면적에 비례하고, 두 평판의 간격(갭(gap))에 반비례하는 값으로 근사화된다.

즉, 전기용량형 센서는 두 평판 사이에서 상대적 이동이 일어나 두 평판간의 간격이나 겹치는 면적이 변화함에 따라 전기용량 또한 변화되므로, 이 현상을 변위측정의 원리로 이용한다.

따라서, 전기용량형 센서는 그 측정원리에 따라 두가지로 구분되며, 그 하나 는 물체의 이동시 마주보는 두 평판 사이의 수직방향으로의 갭 변화를 측정하는 것이고, 다른 하나는 물체의 이동에 따라 마주보는 판이 평행한 방향으로 움직일 때 이동된 판의 면적변화를 측정하는 것으로, 이와 관련된 사항들은 1997년 IEEE 출판사(미국 뉴욕)의 Baxter의 "capacitive sensors(용량형 센서)"의 3장에 자세히 설명되어 있다.

지금까지 미소변위의 측정에는 변위에 따른 매우 높은 민감도를 이용할 수 있고, 비교적 단순한 구조를 가진다는 장점에서 주로 공간(갭)변화 측정 방식이 이용되어 왔으나, 이 방식은 변위가 커질수록 민감도가 비선형적으로 급격히 감소되어 측정가능한 변위범위가 극히 제한적이고, 기계적 설치오차에 민감하므로 세심한 설치 노력이 필요되며, 특히 구동방향(수평방향)과 측정방향(수직방향)이 일치하지 않아 발생할 수 있는 아베(abbe)오차, 코사인(cosine)오차 등에 의해 측정의 신뢰성이 저하됨과 더불어 구성시 공간활용성이 낮다는 문제점이 있었다.

한편, 지금까지 변위측정을 위한 전기용량형 센서로는 기계적 마모가 발생하지 않으며, 빠른 구동속도에도 대응이 가능하다는 장점에서 비접촉식이 이용되어 왔다.

그러나, 최근 들어 원자현미경, 나노 구동시스템과 같은 초미세, 초정밀 변위측정이 요구되는 환경에서는 변위측정용 센서에 대한 요구조건이 종래와 달라지게 되었는데, 즉 요구되는 속도조건이 크게 완화되었을 뿐만 아니라 전기적 노이즈의 문제보다는 기계적인 설치오차의 문제가 중요하게 대두되게 되었다. 이와 같이, 변위측정용 센서의 이용환경이 크게 변화되게 됨에 따라 비접촉식을 계속적으로 고 집하여 사용할 필요성이 없게 되었다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 감안하여 창안된 것으로서, 기계적 설치오차 및 구동방향과 측정방향의 불일치로 인한 오차를 줄이고, 미소변위의 측정은 물론 넓은 범위의 변위측정도 안정적으로 가능하며, 구동방향과 측정방향이 일치하여 구성시 공간절감을 이룰 수 있는 면적변화 측정 방식의 접촉식 전기용량형 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 고정물체상에 전도성패턴이 형성되고 상기 전도성패턴을 균일하게 코팅한 절연막을 포함하는 고정요소, 이동물체상에 전도성패턴이 형성되고 상기 전도성패턴을 균일하게 코팅한 절연막을 포함하며 상기 절연막이 상기 고정요소의 절연막과 맞닿게 배치되는 이동요소, 상기 고정요소 또는 이동요소의 어느 하나의 상기 전도성패턴에 공급되는 전원 및 상기 전원이 인가되지 않는 상기 고정요소 또는 이동요소의 어느 하나의 전도성패턴에 연결되어 상기 이동요소의 이동에 따른 상기 고정요소와 이동요소 사이의 전기용량의 변화를 검출하는 신호검출수단을 포함하는 접촉식 전기용량형 센서를 제공한다.

바람직하게, 본 발명의 접촉식 전기용량형 센서는, 상기 고정요소와 이동요소가 항상 맞닿은 상태를 유지하도록 상기 고정요소 또는 이동요소에 밀착력을 제공하는 스프링요소를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 이동요소의 구동방향이 상기 고정요소에 대해 평행하지 않을 경우에도 상기 이동요소가 상기 고정요소에 대해 항상 맞닿은 상태를 유지하도록 상기 고정요소 또는 이동요소를 회동시키는 회동수단을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 상기 목적과 여러가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 접촉식 전기용량형 센서를 나타내는 개략 구성도이다.

본 발명에 따른 접촉식 전기용량형 센서는 고정물체(12)상에 전도성패턴(14)이 형성되고 그 전도성패턴(14)을 얇은 절연막(16)으로 균일하게 코팅한 고정요소(10)와, 고정요소(10)와 마찬가지로 이동물체(22)상에 전도성패턴(24)이 형성되고 그 전도성패턴(24)을 얇은 절연막(26)으로 균일하게 코팅한 것으로 그 절연막(26)이 고정요소(10)의 절연막(16)과 맞닿도록 배치되어 고정요소(10)에 대해 상대적 평행 이동되어 겹치는 면적을 변화시키는 이동요소(20)와, 고정요소(10)와 이동요소(20)가 항상 밀착되는 상태를 유지하도록 고정요소(10) 또는 이동요소(20)의 어느 하나를 다른 하나에 대해 밀착시키는 밀착력을 구동방향에 대해 수직한 방향으로 제공하는 스프링요소(30)와, 고정요소(10)와 이동요소(20) 사이의 전기용량의 변화에 따라 출력신호를 발생시킬 수 있도록 고정요소(10) 또는 이동요소(20)의 어느 하나의 전도성패턴(14, 24)에 공급되는 교류전원(40)과, 고정요소(10)와 이동 요소(20) 사이의 전기용량의 변화를 검출하여 전기적 신호로 출력하도록 교류전원(40)이 인가되지 않는 고정요소(10) 또는 이동요소(20)의 전도성패턴(14, 24)에 연결되는 신호검출회로(50)를 포함한다.

한편, 구동기(A)는 별개의 외부적 요소로서, 이동요소(20)에 연결되어 이동요소(20)를 고정요소(10)에 대해 상대적 평행 이동시켜 변위를 변화시키는 기능을 한다.

고정요소(10)와 이동요소(20)의 절연막(16, 26)은 매우 얇은 두께로 코팅되어 고정요소(10)와 이동요소(20)간의 통전을 방지시키며, 이 절연막(16, 26)으로는 마찰이 적고 마모에 강한 성분이 이용되어야 하며, 또한 유전율도 높아 전기용량형 센서의 민감도를 향상시킬 수 있는 것이 이용되어야 한다. 물론, 마찰과 마모를 더욱 줄이기 위해 절연막(16, 26)상에는 윤활액이 도포될 수도 있다.

스프링요소(30)는 고정요소(10)와 이동요소(20)간을 긴밀하게 밀착시켜 구동기(A)의 작동에 따라 고정요소(10)에 대해 이동요소(20)가 수평방향으로 이동하여 변위 변화시 구동방향의 수직한 방향으로 발생할 수 있는 변위오차의 발생을 차단시키며, 또한 작동시 전달되는 진동을 흡수하여 제거시킨다.

교류전원(40)은 이동요소(20)의 변위 변화시 전기적 신호가 출력될 수 있도록 충분히 공급되어야 하며, 여기서, 교류전원(40)을 이용하는 이유는 직류전원을 이용할 경우 신호검출회로(50)의 구성이 어렵고 그 성능 또한 좋지 않아 바람직하지 않기 때문이다.

신호검출회로(50)는 구동기(A)의 작동으로 이동요소(20)의 변위 변화에 상응 하는 고정요소(10)와 이동요소(20)간의 전기용량의 변화를 전기적 신호로 출력하는 것으로, 전기용량의 변화를 전압 또는 전류 크기의 변화, 주파수 변화 등 다양한 전기적 신호의 변화로 출력하며, 신호 판별의 용이성을 확보하기 위해 신호 증폭, 필터링, 모듈레이션/디모듈레이션 등을 수행하는 다양한 전기적 수단이 포함될 수 있다.

이러한 구성을 가지는 본 발명에 따른 접촉식 전기용량형 센서는 면적변화 측정 방식으로서, 전도성패턴(14, 24)을 가지는 고정요소(10)와 이동요소(20)가 그 전도성패턴(14, 24)에 코팅된 절연막(16, 26)을 통해 상호 밀착된 상태에서 상대적 평행 이동되게 됨에 따라 변화하는 겹침면적에 상응하는 전기용량의 변화를 측정하여 전기적 신호로 출력함으로써 변위 변화를 확인할 수 있도록 한다.

즉, 보다 상세하게 그 작용은, 고정요소(10) 또는 이동요소(20)의 어느 하나의 전도성패턴(14, 24)에 교류전원(40)이 인가된 상태에서 이동요소(20)에 연결된 구동기(A)를 작동시키면, 구동기(A)에 의해 이동요소(20)가 고정요소(10)에 대해 미끄러지면서 상대적 평행 이동되어 이동요소(20)와 고정요소(10)에 형성된 전도성패턴(14, 24)의 겹침면적이 변화됨으로써, 이들간에 전기용량의 변화가 발생되며, 이 전기용량의 변화는 교류전원(40)이 인가되지 않은 고정요소(10) 또는 이동요소(20)의 어느 하나의 전도성패턴(14, 24)에 연결된 신호검출회로(50)에 의해 검출된 후 전기적 신호로 출력되게 된다.

이렇게 출력된 전기적 신호는 신호검출회로(50)에 연결되는 마이크로 프로세서(미도시) 등을 통해 적절히 디스플레이되어 이용자가 변위 변화를 확인할 수 있 도록 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 면적변화 측정 방식의 접촉식 전기용량형 센서에서는 절연막(16, 26)을 유전율이 높은 성분으로 함과 더불어, 극히 얇고 균일한 두께로 형성하여 고정요소(10)와 이동요소(20)간의 높은 접근도를 실현함으로써, 그 민감도를 향상시켜 미소변위의 측정을 위한 높은 정밀도를 확보할 수 있다.

한편, 전술한 전도성패턴(14, 24)은 고정요소(10)의 것과 이동요소(20)의 것의 형태 즉, 배열이 다를 수 있다.

즉, 도 1의 경우에는 상부의 고정요소(10)에 상호 이격되도록 분리된 두개의 전도성패턴(14)이 형성되어 있고, 하부의 이동요소(20)에는 하나의 전도성패턴(24)이 형성되어 있는 경우로, 고정요소(10)의 각 전도성패턴(14)은 이동요소(20)의 전도성패턴(24)과의 사이에서 각기 전기용량을 가지고 있어 이동요소(20)가 이동함에 따라 각각의 전기용량은 한 쪽의 겹침면적이 증가할 때 증가되며, 다른 쪽의 겹침면적이 감소할 때 감소됨으로써, 이러한 전기용량의 변화가 신호검출회로(50)에 의해 검출되게 된다.

물론, 가장 단순하게 고정요소(10)와 이동요소(20)에 각각 하나의 전도성패턴(14, 24)이 형성될 수도 있다.

한편, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따라 다른 전도성패턴의 배열을 가지는 접촉식 전기용량형 센서를 나타내는 개략 구성도이다.

이 경우에는 전술한 도 1과 비교하여 고정요소(10) 및 이동요소(20)의 전도성패턴(14a, 24a/24b)의 형태가 다른 것으로, 동일한 패턴이 반복되는 주기성 패턴 을 가지는 전도성패턴(14a, 24a/24b)이 형성되어 있다.

이와 같은 주기성 패턴을 가지는 전도성패턴(14a, 24a/24b)을 이용하면, 이동요소(20)의 이동에 따라 고정요소(10)와 이동요소(20)간의 전기용량은 주기적으로 변화하게 된다.

따라서, 이 경우에는 한 주기내의 용량변화로 미소변위를 측정하고, 반복 주기의 카운팅(counting)을 통해 넓은 범위의 변위를 안정적으로 측정할 수 있으며, 측정가능한 변위범위는 주기성 패턴의 개수 증가에 따라 확대되게 된다.

여기서, 도 3에 도 2의 고정요소측 전도성패턴을, 도 4에 도 2의 이동요소측 전도성패턴을 평면도로서 상세히 나타낸다.

도 4의 이동요소(20)측 전도성패턴(24a, 24b)은 두 부분으로 이루어져 있는데, 중간의 전도성패턴(24a)은 본래 기능인 고정요소(10)의 전도성패턴(14a)과의 겹침면적의 변화에 따라 변화되는 전기용량의 신호를 신호검출회로(50)로 송출하는 것이고, 양 끝단측에 각각 절연막(26)을 사이에 두고 별도로 형성되는 차폐용 전도성패턴(24b)은 접지와 연결되어 중간의 전도성패턴(24a)과 대응되지 않는 고정요소(10)의 전도성패턴(14a)의 끝단 부분에서 발생되는 전기장의 영향이 중간의 전도성패턴(24a)에 미치지 않도록 차단하여 균일한 출력신호가 얻어지도록 한다.

물론, 도 3과 도 4의 전도성패턴(14a, 24a/24b)은 이동요소(20)와 고정요소(10)측에 각각 반대로 구비될 수도 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 힌지(hinge)요소를 구비하는 접촉 식 전기용량형 센서를 나타내는 개략 구성도이다.

힌지요소(60)는 회동수단으로서, 고정요소(10) 또는 이동요소(20)측 어디에도 구비될 수 있으나, 바람직하게 고정요소(10)측에 구비되는 경우를 나타낸다.

고정요소(10)측에 구비되는 힌지요소(60)는 고정요소(10)를 이동요소(20)에 대해 상대적으로 회동가능하도록 함으로써, 이동요소(20)의 구동방향이 고정요소(10)에 대해 평행하지 않을 경우에도 이동요소(20)가 상대적으로 회동함으로써 고정요소(10)에 대해 항상 밀착을 유지하도록 한다.

만약, 힌지요소(60)가 구비되지 않는다면, 이동요소(20)의 구동방향이 고정요소(10)와 평행하지 않을 경우 구동방향 이외의 변위오차가 측정값에 포함되게 되고, 나아가 전기용량형 센서의 파손까지 유발할 수도 있다.

물론, 동일한 목적을 달성하기 위해 힌지요소(60)를 대신하여 틸팅 스테이지(tilting stage)가 이용될 수도 있음은 물론이다.

이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정과 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.

본 발명에 따르면, 면적변화 측정 방식의 접촉식 전기용량형 센서가 제공되게 되어, 기계적 설치오차 및 구동방향과 측정방향의 불일치로 인한 오차를 줄일 수 있고 구동방향 이외의 변위오차가 포함될 여지가 없어 신뢰성 높은 측정이 가능하며, 구동방향과 측정방향이 일치하므로 구성시 공간절감을 이룰 수 있고, 미소변 위의 측정은 물론 넓은 범위의 변위측정도 안정적으로 가능하여, 종국적으로 전반적인 성능이 대폭 향상되는 효과가 달성될 수 있다.

Claims

고정물체상에 전도성패턴이 형성되고 상기 전도성패턴을 균일하게 코팅한 절연막을 포함하는 고정요소,

이동물체상에 전도성패턴이 형성되고 상기 전도성패턴을 균일하게 코팅한 절연막을 포함하며 상기 절연막이 상기 고정요소의 절연막과 맞닿게 배치되는 이동요소,

상기 고정요소 또는 이동요소의 어느 하나의 상기 전도성패턴에 공급되는 전원 및

상기 전원이 인가되지 않는 상기 고정요소 또는 이동요소의 어느 하나의 전도성패턴에 연결되어 상기 이동요소의 이동에 따른 상기 고정요소와 이동요소 사이의 전기용량의 변화를 검출하는 신호검출수단을 포함하는 접촉식 전기용량형 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 고정요소와 이동요소가 항상 맞닿은 상태를 유지하도록 상기 고정요소 또는 이동요소에 밀착력을 제공하는 스프링요소를 더 포함하는 접촉식 전기용량형 센서.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 이동요소의 구동방향이 상기 고정요소에 대해 평행하지 않을 경우에도 상기 이동요소가 상기 고정요소에 대해 항상 맞닿은 상태를 유지하도록 상기 고정요소 또는 이동요소를 회동시키는 회동수단을 더 포함하는 접촉식 전기용량형 센서.
제 3 항에 있어서,

상기 고정요소와 이동요소의 전도성패턴은,

상기 고정요소와 이동요소 사이의 전기용량이 주기적으로 변화되도록 동일한 패턴이 반복되는 주기성 패턴 배열을 가지는 것을 특징으로 하는 접촉식 전기용량형 센서.
제 4 항에 있어서,

상기 전도성패턴의 양 끝단측에 접지와 연결된 차폐용 전도성패턴이 별도로 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉식 전기용량형 센서.