KR100581051B1

KR100581051B1 - 3축 힘센서들로 구성된 촉각센서의 입출력 배선

Info

Publication number: KR100581051B1
Application number: KR1020040070033A
Authority: KR
Inventors: 김종호; 강대임; 박연규; 김민석
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2004-09-02
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2006-05-17
Also published as: US20060059997A1; KR20060021171A

Abstract

본 발명은 촉각센서의 배선구조에 관한 것으로, 기판과, 기판의 상부에 형성되고 n×n의 행열로 배열된 n² 개의 촉각 센서유닛과, 촉각센서 유닛으로부터 촉각 신호를 전달받아 외부물체와의 접촉력에 대한 정보를 감지하는 촉각센서이다. 촉각센서 유닛은 기판에 평행한 X, Y축과, 기판에 수직한 Z축에 대한 접촉력을 감지할 수 있도록, 상하좌우의 네방향에 배치된 제1, 제2, 제3 및 제4압저항으로 구성된 3축 힘센서이며; 압저항의 일측에 연결되는 2n 개의 입력라인과, 압저항의 타측에 연결되는 2n 개의 출력라인으로 구성된 총 4n 개의 입축력 배선을 가지는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, n×n 행열로 배치된 n²개의 3축 힘센서 유닛에 대하여 총 4n개의 입출력 배선으로 촉각센서의 배선을 배치하여, 촉각센서의 집적도를 효과적으로 향상시킬 수 있다.

촉각센서, 압저항, 배선, 집적도, 향상, 접촉력

Description

3축 힘센서들로 구성된 촉각센서의 입출력 배선{INPUT OUTPUT WIRE FOR TACTILE SENSOR USING THREE-COMPONENT FORCE SENSORS}

도 1은 일반적인 미세 가공기술을 이용한 촉각센서 유닛의 단면도.

도 2는 도 1의 촉각센서 유닛으로 구성된 촉각센서의 평면도.

도 3은 도 2의 촉각센서의 입출력 배선도

도 4는 본 발명에 따른 촉각센서의 배선도

도 5는 도 4에 도시된 하나의 촉각센서 유닛(P)에 대한 입출력 배선을 도시한 도면

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

S 웨이퍼 P 촉각센서 유닛

Fx X축 방향으로의 접촉력 Fy Y축 방향으로의 접촉력

Fz Z축 방향으로의 접촉력 1 하중블럭

2 지지블럭 3 과하중 보호블럭

4, R1, R2, R3, R4 압저항 10 촉각센서

10L 촉각센서의 좌측 열 10R 촉각센서의 우측 열

11 ∼ 30 입력라인 11C ∼ 30C 입력단자

31 ∼ 50 출력라인 31C ∼ 50C 출력단자

본 발명은 촉각센서의 입출력 배선에 관한 것으로, 보다 상세하게는 X, Y, Z축 방향으로부터의 외부물체와의 접촉력에 대한 정보를 감지하기 위한 입출력 배선을 고집적화 하는 배선의 구조에 관한 것이다.

현재, 접촉을 통한 주변환경의 정보, 즉 접촉력, 진동, 표면의 거칠기, 열전도도에 대한 온도변화 등을 획득하는 촉각기능은 차세대 정보수집 매체로 인식되고 있으며, 이같은 촉각감각을 대체할 수 있는 생체모방형 촉각센서는 혈관내의 미세수술, 암진단 등의 각종 의료진단 및 시술에 사용될 뿐만 아니라 향후 가상환경 구현기술에서 중요한 촉각제시 기술에 적용될 수 있기 때문에 그 중요성이 더해지고 있다.

상기 생체모방형 촉각센서는 이미 산업용 로봇의 손목에 사용되고 있는 6자 유도의 힘/토크 센서와 로봇의 그립퍼(gripper)용으로 접촉력 및 순간적인 미끄러짐을 감지할 수 있는 것이 개발되고 있다.

도 1은 웨이퍼(S) 상에 미세 기공기술(MEMS)로 제작된 3축 힘센서 즉, 촉각센서 유닛(P)을 도시한 것으로, 세 방향의 하중 Fx, Fy, Fz를 받고 있는 사각형 모양의 박막형 접촉력 감지부로 구성된다. 상기 촉각센서 유닛은 힘센서 감지부 즉, 하중블록(loading block)(1)과 전체 구조를 지지하는 지지블록(side block)(2)으로 이루어지고, 과하중(overload)이 전달되었을 때 막의 파괴를 방지하기 위하여 과하중 보호블록(overload protection)(3)을 실리콘 미세가공기술로 제작하여 하중블럭 (1)과 접착하도록 되어 있다. 한편, 하중블럭(1)의 일측에는 압저항(4)를 배치하여 하중블럭에 전달되는 하중에 따라 변하는 저항을 측정하여 외부물체와의 접촉력을 측정하게 된다.

도 2는 미세가공기술에 의한 촉각센서 유닛(P) 네개로 구성된 촉각센서를 나타낸 평면도로서, 촉각센서 유닛(P)의 하중블럭(1)의 상하좌우 방향으로 네개의 압저항(4)이 배치되어 있다.

도 3은 도 2의 촉각센서에 대한 입출력 회로의 배선도이다. 도시된 바와 같이, 하나의 촉각센서 유닛(P)에는 8개의 입출력 배선이 필요하므로, 총 32개의 배선이 배치되어야 한다. 이와 같이 힘센서 유닛의 수가 적은 경우에는 입출력 배선을 배치하는 것에 어려움이 없지만, 필요에 따라서는 수백개 정도의 촉각센서를 집적할 필요가 있다.

그러나, 촉각센서 유닛 수백개를 하나의 웨이퍼 상에 집적하기 위해서는 천개 이상의 배선을 필요로 하므로, 고집화하는데 상당한 어려움이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 각 촉각센서 유닛으로 연결되는 입출력 배선을 보다 효율적으로 배치하여 집적도를 향상시키기 위한 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 촉각센서는, 기판과, 상기 기 판 상에 형성되고 n×n의 행열로 배열된 n² 개의 촉각 센서유닛과, 상기 촉각센서 유닛으로부터 촉각 신호를 전달받아 외부물체와의 접촉력에 대한 정보를 감지하는 촉각센서에 있어서, 상기 촉각센서 유닛은 기판에 평행한 X, Y축과, 기판에 수직한 Z축에 대한 접촉력을 감지할 수 있도록, 상하좌우의 네방향에 배치된 제1, 제2, 제3 및 제4압저항으로 구성된 3축 힘센서이며; 상기 압저항의 일측에 연결되는 2n 개의 입력라인과, 상기 압저항의 타측에 연결되는 2n 개의 출력라인으로 구성된 총 4n 개의 입축력 배선을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 n 개의 열로 배열된 촉각센서 유닛을 두 부분으로 반분하고, 동일 행의 촉각센서 유닛들 중 상기 반분된 n/2 개의 촉각센서 유닛을 구성하는 2n 개의 압저항들의 일측을 공통으로 연결하여 하나의 입력라인에 접속되는 것을 특징으로 한다.

또한, k번째 열의 촉각센서 유닛들(1≤k≤n)을 구성하는 제1압저항과 n-k+1번째 열의 촉각센서 유닛들(1≤k≤n)을 구성하는 제4압저항의 타측을 하나의 출력라인으로 연결하고, k번째 열의 촉각센서 유닛들(1≤k≤n)을 구성하는 제2압저항과 n-k+1번째 열의 촉각센서 유닛들(1≤k≤n)을 구성하는 제3압저항의 타측을 다른 하나의 출력라인으로 연결하고, k번째 열의 촉각센서 유닛들(1≤k≤n)을 구성하는 제3압저항과 n-k+1번째 열의 촉각센서 유닛들(1≤k≤n)을 구성하는 제2압저항의 타측을 또 다른 하나의 출력라인으로 연결하고, k번째 열의 촉각센서 유닛들(1≤k≤n)을 구성하는 제4압저항과 n-k+1번째 열의 촉각센서 유닛들(1≤k≤n)을 구성하는 제 1압저항의 타측을 또 다른 하나의 출력라인으로 연결하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4압저항으로부터 출력되는 신호가 각각 V1, V2, V3 및 V4일 때, 우측방향으로의 접촉력 Fx는 V1-V4로 정의되고, 상측방향으로의 접촉력 Fy는 V3-V2으로 정의되고, 상기 기판에 수직 방향으로의 접촉력 Fz는 V1+V3+V2+V4로 정의되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 촉각센서의 배선구조에 대하여 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 100개의 촉각센서 유닛이 10×10의 행열로 배열된 촉각센서(10)의 배선을 개략적으로 나타낸 것이며, 도 5는 도 4에 도시된 하나의 촉각센서 유닛(P)에 대한 입출력 배선을 도시한 것이다.

먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 상하좌우에 각각 배치된 제1압저항(R1), 제2압저항(R2), 제3압저항(R3) 및 제4압저항(R4)의 일측은 하나의 공통된 서브 입력라인(SUB_IN)으로 연결되며, 상기 네개의 압저항의 타측은 각각의 서브 출력라인(SUB_OUT)으로 연결된다. 이에 따라 압저항의 일측 및 타측에 연결된 입력 및 출력라인을 통해 각 압저항의 저항 값을 측정하여 접촉력을 감지할 수 있도록 한다.

다시 도 4로 되돌아가, 10×10 행열로 배치된 촉각센서 유닛에 연결된 입력 및 출력라인을 살펴보도록 한다.

10개의 열로 배치된 촉각센서 유닛은 좌측 5개의 열(10L)과, 우측 5개의 열로 구성된 부분(10R)으로 반분된다. 제1행의 좌측 열에 속하는 서브 입력라인(SUB_IN)은 하나의 입력라인(11)으로 연결되어 공통된 입력 전압을 입력받도록 구 성된다. 또한 제2행의 좌측 열에 속하는 서브 입력라인은 다른 하나의 입력라인(12)으로, 제10행의 좌측 열에 속하는 서브 입력라인은 또 다른 하나의 입력라인(20)으로 각각 연결된다. 이와 같은 방법으로, 제1행 내지 제10행의 좌측 열에 속하는 서브 입력라인들은 각각의 입력라인(11 ∼ 20)으로 연결된다.

동일한 방법으로, 제10행의 우측열에 속하는 서브 입력라인은 하나의 입력라인(11')으로, 제1행의 우측열에 속하는 서브 입력라인은 하나의 입력라인(20')으로 각각 연결된다. 이와 같은 방법으로, 제10행 내지 제1행의 우측 열에 속하는 서브 입력라인들은 각각의 입력라인(21 ∼ 30)으로 연결된다.

이에 따라, 각행에 두개 씩 총 20개의 입력라인들이 배치되어, 각각의 입력단자들(11C ∼ 30C)로 접속된다.

한편, 제1열의 촉각센서 유닛에 연결된 제1압저항의 타측에 연결되는 서브 출력라인(SUB_OUT)은 하나의 출력라인(31)로 연결되며, 제10열의 촉각센서 유닛에 연결된 제4압저항의 타측에 연결되는서브 출력라인(SUB_OUT)과 함께 연결되어, 출력단자(31C)에 접속된다. 또한, 제1열의 제2압저항 및 제10열의 제3압저항의 타측은 다른 출력라인(32)로 연결되어 출력단자(32C)에 접속되며, 제1열의 제3압저항 및 제10열의 제2압저항의 타측은 또 다른 출력라인(33)으로 연결되어 출력단자(33C)에 접속되며, 제1열의 제4압저항 및 제10열의 제1압저항의 타측은 또 다른 출력라인(34)로 연결되어 출력단자(34C)에 접속된다.

마찬가지로, 제2열은 제9열의 촉각센서 유닛의 압저항과 연결되며, 제3열은 제8열, 제4열은 제7열, 제5열은 제6열의 순으로 각각 연결된다.

이를 정리하면, k번째 열(1≤k≤n)의 촉각센서 유닛들을 구성하는 제1압저항과 n-k+1번째 열의 촉각센서 유닛들(1≤k≤n)을 구성하는 제4압저항의 타측을 하나의 출력라인으로 연결하고, k번째 열의 촉각센서 유닛들(1≤k≤n)을 구성하는 제2압저항과 n-k+1번째 열의 촉각센서 유닛들(1≤k≤n)을 구성하는 제3압저항의 타측을 다른 하나의 출력라인으로 연결하고, k번째 열의 촉각센서 유닛들(1≤k≤n)을 구성하는 제3압저항과 n-k+1번째 열의 촉각센서 유닛들(1≤k≤n)을 구성하는 제2압저항의 타측을 또 다른 하나의 출력라인으로 연결하고, k번째 열의 촉각센서 유닛들(1≤k≤n)을 구성하는 제4압저항과 n-k+1번째 열의 촉각센서 유닛들(1≤k≤n)을 구성하는 제1압저항의 타측을 또 다른 하나의 출력라인으로 연결한다.

이에 따라, 20개의 입력라인 및 20개의 출력라인으로 구성된 총 40개의 배선이 배치된다.

또한, 입력라인에 의해 인가되는 입력신호에 따라 하나의 촉각센서 유닛에 배치된 4개의 압저항 즉, 제1, 제2, 제3 및 제4압저항으로부터 각각 출력되는 신호를 각각 V1, V2, V3 및 V4라고 하면, X 방향으로의 접촉력 Fx는 V1-V4, Y 방향으로의 접촉력 Fy는 V3-V2, 상기 기판에 수직인 Z 방향으로의 접촉력 Fz는 V1+V3+V2+V4로 된다. 이러한 접촉력들의 계산은 4개의 압저항에 의해 출력되는 신호(V1, V2, V3 및 V4)로부터 3개의 값을 도출하는 것은 자명하므로, 자세한 설명은 생략한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 촉각센서의 배선을 배치하면, n×n 행열로 배치된 2n개의 촉각센서 유닛에 대하여 총 4n개의 입출력 배선을 필요로 하므로, 촉각센서의 집적도를 효과적으로 향상시킬 수 있다.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하므로, 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호 범위에 속하게 될 것이다.

Claims

기판과, 상기 기판 상에 형성되고 n×n의 행열로 배열된 n²개의 촉각 센서유닛과, 상기 촉각센서 유닛으로부터 촉각 신호를 전달받아 외부물체와의 접촉력에 대한 정보를 감지하는 촉각센서에 있어서,

상기 촉각센서 유닛은 기판에 평행한 X, Y축과, 기판에 수직한 Z축에 대한 접촉력을 감지할 수 있도록, 상하좌우의 네방향에 배치된 제1, 제2, 제3 및 제4압저항으로 구성된 3축 힘센서이며;

상기 압저항의 일측에 연결되는 2n 개의 입력라인과, 상기 압저항의 타측에 연결되는 2n 개의 출력라인으로 구성된 총 4n 개의 입출력 배선을 가지는 것을 특징으로 하는 촉각센서.
제1항에 있어서,

상기 n 개의 열로 배열된 촉각센서 유닛을 두 부분으로 반분하고, 동일 행의 촉각센서 유닛들 중 상기 반분된 n/2 개의 촉각센서 유닛을 구성하는 2n 개의 압저항들의 일측을 공통으로 연결하여 하나의 입력라인에 접속되는 것을 특징으로 하는 촉각센서.
제2항에 있어서,

k번째 열의 촉각센서 유닛들(1≤k≤n)을 구성하는 제1압저항과 n-k+1번째 열의 촉각센서 유닛들(1≤k≤n)을 구성하는 제4압저항의 타측을 하나의 출력라인으로 연결하고,

k번째 열의 촉각센서 유닛들(1≤k≤n)을 구성하는 제2압저항과 n-k+1번째 열의 촉각센서 유닛들(1≤k≤n)을 구성하는 제3압저항의 타측을 다른 하나의 출력라인으로 연결하고,

k번째 열의 촉각센서 유닛들(1≤k≤n)을 구성하는 제3압저항과 n-k+1번째 열의 촉각센서 유닛들(1≤k≤n)을 구성하는 제2압저항의 타측을 또 다른 하나의 출력라인으로 연결하고,

k번째 열의 촉각센서 유닛들(1≤k≤n)을 구성하는 제4압저항과 n-k+1번째 열의 촉각센서 유닛들(1≤k≤n)을 구성하는 제1압저항의 타측을 또 다른 하나의 출력라인으로 연결하는 것을 특징으로 하는 촉각센서.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1, 제2, 제3 및 제4압저항으로부터 출력되는 신호가 각각 V1, V2, V3 및 V4일 때, 우측방향으로의 접촉력 Fx는 V1-V4로 정의되고, 상측방향으로의 접촉력 Fy는 V3-V2으로 정의되고, 상기 기판에 수직 방향으로의 접촉력 Fz는 V1+V3+V2+V4로 정의되는 것을 특징으로 하는 촉각센서.