KR100725894B1 - Pressure sensor and pressure measurement method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압력센서 및 압력 측정 방법을 공개한다. 이 압력센서 및 압력 측정 방법은 외부에서 인가되는 압력에 응답하여 임피던스의 값이 가변되는 압력패드, 입력신호를 생성하는 입력신호 발생부, 입력신호를 일정시간 지연하여 기준신호를 생성하는 기준신호 발생부, 압력패드의 가변되는 임피던스 값에 응답하여 입력신호를 지연하여 압력신호를 발생하는 압력신호 발생부, 및 기준신호에 대한 압력신호의 지연시간 차이를 측정하고, 측정된 지연시간 차이에 상응하는 값을 갖는 압력데이터를 출력하는 압력데이터 발생부를 구비하는 것을 특징으로 한다. 따라서 압력의 변화를 대응하는 지연시간의 변화로 변환하여 압력을 측정하며, 인가되는 신호의 주기를 변화시켜 측정해야 하는 압력의 크기나 정밀도를 쉽게 조정할 수 있다. 또한 측정된 압력을 바로 디지털 값으로 출력이 가능하므로 별도의 변환장치가 불필요하며 구현이 간단하여 소형으로 제작하기가 용이하다.The present invention discloses a pressure sensor and a pressure measuring method. The pressure sensor and the pressure measuring method include a pressure pad whose impedance value is changed in response to an externally applied pressure, an input signal generator for generating an input signal, and a reference signal for generating a reference signal by delaying the input signal for a predetermined time. And a pressure signal generator for delaying an input signal in response to a variable impedance value of the pressure pad to generate a pressure signal, and measuring a delay time difference of the pressure signal with respect to the reference signal, and corresponding to the measured delay time difference. And a pressure data generator for outputting pressure data having a value. Therefore, the pressure can be measured by converting the change in pressure into a change in the corresponding delay time, and the magnitude or precision of the pressure to be measured can be easily adjusted by changing the period of the applied signal. In addition, since the measured pressure can be directly output as a digital value, a separate converter is unnecessary, and it is easy to manufacture due to its simple implementation.
Description
도1a 내지 도1c 는 각각의 방식에 따른 종래의 압력센서의 일 예를 나타내는 도면이다.1A to 1C are diagrams showing an example of a conventional pressure sensor according to each method.
도2 는 종래의 전기적 접촉센서 및 이를 이용하는 휴먼 인터페이스 장치의 구성을 나타내는 도면이다.2 is a view showing the configuration of a conventional electrical contact sensor and a human interface device using the same.
도3 은 본 발명에 따른 압력센서의 제1 실시 예에 따른 구성을 나타내는 블록도 이다.3 is a block diagram showing a configuration according to a first embodiment of a pressure sensor according to the present invention.
도4 는 도3 의 압력데이터 발생부의 제1 실시 예를 나타내는 블록도 이다.4 is a block diagram illustrating a first embodiment of the pressure data generator of FIG. 3.
도5a 내지 도5c 는 도4 의 압력데이터 발생부의 동작을 설명하기 위한 신호 타이밍도 이다.5A to 5C are signal timing diagrams for explaining the operation of the pressure data generator of FIG.
도6 는 도3 의 압력데이터 발생부의 제2 실시 예를 나타내는 블록도 이다.6 is a block diagram illustrating a second embodiment of the pressure data generator of FIG. 3.
도7a 내지 도7c 는 도6 의 압력데이터 발생부의 동작을 설명하기 위한 신호 타이밍도 이다.7A to 7C are signal timing diagrams for explaining the operation of the pressure data generator of FIG.
도8 은 본 발명에 따른 압력센서의 제2 실시 예에 따른 구성을 나타내는 블록도 이다.8 is a block diagram showing a configuration according to a second embodiment of a pressure sensor according to the present invention.
도9 는 종래의 접촉센서와 본 발명의 압력센서를 결합한 접촉 및 압력센서의 구성을 나타내는 블록도 이다.9 is a block diagram showing the configuration of a contact and pressure sensor incorporating a conventional contact sensor and the pressure sensor of the present invention.
도10a 내지 도10d는 도3 과 도8 의 압력센서와 도9의 접촉 및 압력센서를 응용한 장치들을 나타내는 도면이다.10A to 10D are views showing devices in which the pressure sensor of FIGS. 3 and 8 and the contact and pressure sensors of FIG. 9 are applied.
본 발명은 압력센서에 관한 것으로 특히 외부에서 인가되는 압력의 변화를 가변되는 지연 시간으로 전환하여 압력을 측정하는 압력센서이다.The present invention relates to a pressure sensor, in particular to a pressure sensor for measuring the pressure by converting the change in the pressure applied from the outside to a variable delay time.
종래의 압력센서는 크게 기계식 압력센서와 전기식 압력센서, 그리고 반도체식 압력센서가 있다.Conventional pressure sensors include mechanical pressure sensors, electric pressure sensors, and semiconductor pressure sensors.
기계식 압력센서로는 주로 탄성을 이용하는 방법으로 밀폐된 관의 탄성을 이용한 풀돔(Full dome)관과 가스의 압력과 스프링의 반발력 변화를 이용한 벨로즈(Bellows), 그리고 얇은 격막을 이용하는 다이어프램(Diaphragm)등이 있다.Mechanical pressure sensors are mainly used for elasticity, such as full dome tube using elasticity of closed tube, bellows using change of pressure of gas and repulsive force of spring, and diaphragm using thin diaphragm. Etc.
도1a 은 기계식 압력센서에서 많이 사용되는 풀돔관의 일 예를 나타내는 도면이다.Figure 1a is a view showing an example of a pulled dome tube commonly used in mechanical pressure sensors.
풀돔관에서 개방된 고정단(11)으로부터 측정압력(P)이 인가되면 탄성을 가진 밀폐된 관의 선단(12)이 이동한다. 이 선단의 이동량은 관내부의 압력의 크기에 비례하므로 선단의 마지막에 연결된 표시부(13)의 표시침(13-1)이 기계적으로 확대된 압력을 지시한다.When the measurement pressure P is applied from the fixed
전기식 압력센서로는 대부분 기계적인 변위를 전기 신호로 변환하는 것으로 2개의 전극간의 정전용량 변화로부터 그 사이의 변위를 측정하는 정전용량식과 측정 압력에 비례하여 발생하는 힘과 외부에서 전자적으로 만들어지는 힘이 평형이 되게 하여 측정 압력을 전류와 전압 등으로 측정하는 역평형식 압력센서 등이 있다.Most electric pressure sensors convert mechanical displacements into electrical signals. Capacitives measure the displacement between capacitances between two electrodes, and force generated in proportion to the measured pressure and externally generated forces. There is an inverse balanced pressure sensor that balances the measured pressure with current and voltage.
도1b 는 전기식 압력센서 중 정전용량식의 일 예를 나타내는 도면이다.1B is a diagram illustrating an example of a capacitance type among electric pressure sensors.
정전용량식 압력센서에서 가운데를 다이어프램(21)으로 구분하고, 다이어프램(21)으로 구분된 양측에 전극(22, 23)을 각각 배치하여 일측에는 기준 압력(P1)을 인가하고, 타측에는 측정 압력(P2)을 인가한다. 기준 압력(P1)에 대한 측정 압력(P2)의 변화는 다이어프램(21)의 위치를 변화시켜 두 전극(22, 23) 과 다이어프램(21) 사이에 인가되는 정전용량(C1, C2)을 변화시킨다. 따라서 정전용량식 압력센서는 상기 변화된 정전용량을 측정하여 압력을 표시하도록 한다.In the capacitive pressure sensor, the center is divided by the
반도체식 압력센서는 히스테리시스(Hysteresis)현상이 없고 직선성이 우수하고 소형 경량으로 진동에도 매우 강한 것이 특징이며, 기계식 보다 고감도, 고신뢰성이며 양산성이 우수하여 최근 점차로 사용 비중이 커지고 있다. 이러한 반도체식 압력센서에는 단결정 실리콘을 화학적으로 에칭(Etching)하여 다이어프램을 형성하고, 다이어프램에서 발생하는 응력을 전기적 신호로 변환하여 압력을 측정하는 방법으로 다이어프램 위에 저항을 만들어 물질이 가지는 물리적 특성중의 하나인 압저항 효과(Piezo-resistive effect : 물질이 외부의 응력을 받아 그 고유 저항값이 변하는 현상)를 이용하여 압력을 측정하는 압저항형과 서로 마주보고 있는 전극판의 간격이 외부로부터의 압력에 의하여 변화되어 전극간의 정전용량을 변화시켜 압 력을 측정하는 정전용량형이 있다.The semiconductor pressure sensor has no hysteresis phenomenon, has excellent linearity, small size and light weight, and is very resistant to vibration, and has been used more and more recently because of its high sensitivity, high reliability, and excellent mass production. The semiconductor pressure sensor chemically etches single crystal silicon to form a diaphragm, converts the stress generated from the diaphragm into an electrical signal, and measures the pressure to create a resistance on the diaphragm. The piezo-resistive effect is a piezo-resistive effect measuring pressure using a piezo-resistive effect. There is a capacitive type that measures the pressure by changing the capacitance between the electrodes.
도1c 는 반도체식 압력센서 중 압저항형의 일 예를 나타내는 도면이다.1C is a diagram illustrating an example of a piezoresistive type of a semiconductor pressure sensor.
기준압력(P1)이 인가되는 실리콘(32)에 저항(33)을 형성하고 유리로 구성된 입력부(31)을 통하여 측정압력(P2)가 인가되면 저항(33)의 저항값이 변화하고 이 값을 측정하여 압력을 표시한다.When the
상기한 압력센서들은 냉장고, 에어컨 등의 각종 가전제품과 자동차용 부품이나 일반 산업용 장치, 그리고 웨이퍼 흡착압 감지 등의 반도체 제조용이나 인공 심장과 같은 의료기기 등의 분야에 다양하게 응용되고 있다.The pressure sensors are variously applied to various home appliances such as refrigerators, air conditioners, automobile parts, general industrial devices, and semiconductor devices such as wafer adsorption pressure detection, and medical devices such as artificial heart.
그러나 상기한 압력센서들은 압력에 대한 정밀도나 압력의 크기에 대해 범용적이지 못하여 각각의 사용용도에 맞추어 구별하여 사용하고 있으며, 사용분야가 점차로 늘어남에 따라 시장의 요구도 다양해져서 더욱 고감도, 고신뢰성의 압력센서를 개발하기 위해 계속적으로 연구가 되고 있다.However, the above-mentioned pressure sensors are not universal in terms of accuracy or magnitude of pressure, and are used according to their respective uses, and the market demands are diversified as the field of use is gradually increased, resulting in higher sensitivity and higher reliability. Research is ongoing to develop pressure sensors.
도2 는 종래의 전기적 접촉센서 및 이를 이용하는 휴먼 인터페이스 장치의 일 예를 나타내는 도면이다.2 is a view showing an example of a conventional electrical contact sensor and a human interface device using the same.
기준신호 발생부(40)는 기준신호(ref_sig)를 생성한다.The
제1 신호 발생부(50)는 기준신호(ref_sig)를 지연하여 제1 신호(sig1)를 발생한다.The
제2 신호 발생부(60)는 접촉 패드(61)를 구비하여 접촉 패드(61)에 접속이 없으면 기준신호(ref_sig)를 제1 신호보다 작게 지연하여 제2 신호(sig2)를 발생하고, 접촉 패드(61)에 접촉이 있으면 기준신호(ref_sig)를 제1 신호보다 많이 지연 하여 제2 신호(sig2)를 발생한다.The
접촉 신호 발생부(70)는 제1 신호에 동기 되어 제2 신호를 수신하여 접촉 신호(con_sig)를 발생하여 접촉패드(61)에 접촉 여부를 판별하여 출력한다.The
필터부(80)는 접촉 신호(con_sig)를 평활화하여 출력한다.The
상기한 종래의 전기적 접촉센서 및 이를 이용하는 휴먼 인터페이스 장치는 2005년 3월 21일에 출원된 출원번호 10-2005-0023382 에 개시되어있다. The conventional electrical contact sensor and the human interface device using the same are disclosed in application number 10-2005-0023382 filed March 21, 2005.
따라서 전도성이 충분하지 않더라도 일정 이상의 전하 축적 능력을 가진 접촉 물체이면 접촉 유무를 정확하게 판단할 수 있게 한다.Therefore, even if the conductivity is not sufficient, it is possible to accurately determine the presence or absence of the contact object having a certain charge accumulation ability.
그러나 상기한 전기적 접촉센서 및 이를 이용하는 휴먼 인터페이스 장치는 접촉 유무를 지연시간의 차이로 구분하여 ON/OFF 에 해당하는 신호만을 출력할 뿐, 접촉되는 압력의 강도에 해당하는 값을 출력하지는 못하였다.However, the electrical contact sensor and the human interface device using the same output only a signal corresponding to ON / OFF by dividing the presence or absence of a contact with a difference in delay time, and do not output a value corresponding to the strength of the contact pressure.
본 발명의 목적은 접촉되는 압력의 강도에 해당하는 값을 출력하는 압력센서를 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a pressure sensor that outputs a value corresponding to the strength of the contacted pressure.
본 발명의 다른 목적은 상기 목적을 달성하기 위한 압력 측정 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a pressure measuring method for achieving the above object.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 목적을 달성하기 위한 접촉 유무와 압력의 강도에 해당하는 값을 동시에 출력하는 접촉 및 압력센서를 제공하는데 있다.Still another object of the present invention is to provide a contact and pressure sensor for simultaneously outputting a value corresponding to the presence or absence of a contact and the strength of pressure to achieve the above object.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압력센서의 제1 형태는 외부에서 인가되는 압력에 응답하여 임피던스의 값이 가변되는 압력패드, 입력신호를 생성하는 입력신호 발생부, 입력신호를 일정시간 지연하여 기준신호를 생성하는 기준신호 발생부, 압력패드의 가변되는 임피던스 값에 응답하여 입력신호를 지연하여 압력신호를 발생하는 압력신호 발생부, 및 기준신호에 대한 압력신호의 지연시간 차이를 측정하고, 측정된 지연시간 차이에 상응하는 값을 갖는 압력데이터를 출력하는 압력데이터 발생부를 구비하는 것을 특징으로 한다.A first aspect of the pressure sensor of the present invention for achieving the above object is a pressure pad variable in impedance value in response to a pressure applied from the outside, an input signal generator for generating an input signal, delaying the input signal for a predetermined time A reference signal generator for generating a reference signal, a pressure signal generator for generating a pressure signal by delaying an input signal in response to a variable impedance value of the pressure pad, and measuring a difference in delay time of the pressure signal with respect to the reference signal, And a pressure data generator for outputting pressure data having a value corresponding to the measured delay time difference.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압력센서의 제2 형태는 외부에서 인가되는 압력에 응답하여 임피던스의 값이 가변되는 압력패드, 입력신호를 생성하는 입력신호 발생부, 압력패드의 가변되는 임피던스 값에 응답하여 입력신호를 지연하여 압력신호를 발생하는 압력신호 발생부, 입력신호에 대한 압력신호의 지연시간 차이를 측정하고, 측정된 지연시간 차이에 상응하는 값을 갖는 지연데이터를 생성하여 지연데이터에서 영점데이터의 값을 감산한 압력데이터를 출력하는 압력데이터 발생부, 및 외부로부터 사용자에 의해 명령을 인가 받고 이때 입력신호 대한 압력신호의 지연시간 차이에 상응하는 값을 가지는 지연데이터를 압력데이터 발생부로부터 인가 받아 영점데이터로 저장하는 영점 조절부를 구비하는 것을 특징으로 한다.A second aspect of the pressure sensor of the present invention for achieving the above object is a pressure pad variable in impedance value in response to a pressure applied from the outside, an input signal generator for generating an input signal, variable impedance value of the pressure pad Depressing the input signal in response to the pressure signal generator for generating a pressure signal, measuring the difference in the delay time of the pressure signal with respect to the input signal, and generates delay data having a value corresponding to the measured delay time difference The pressure data generator outputs the pressure data subtracted from the zero point data at the controller, and the delay data having a value corresponding to the delay time difference of the pressure signal with respect to the input signal when a command is received by the user from the outside. It is characterized in that it comprises a zero adjustment unit for receiving from the unit stored as zero data.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압력 측정 방법은 입력신호를 발생하는 입력신호 발생단계, 입력신호를 일정시간 지연하여 기준신호를 생성하는 기준신호 발생단계, 입력신호를 외부에서 인가되는 압력에 응답하여 지연하여 압력신호를 발생하는 압력신호 발생단계, 및 기준신호에 대한 압력신호의 지연시간 차이를 측정하여 측정된 지연시간 차이에 상응하는 값을 가지는 압력데이터를 출력하는 압력데이터 출력 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.Pressure measurement method of the present invention for achieving the above another object is an input signal generation step for generating an input signal, a reference signal generation step for generating a reference signal by delaying the input signal for a predetermined time, the input signal to the pressure applied from the outside A pressure signal generating step of delaying in response to generating a pressure signal, and a pressure data output step of measuring pressure difference of the pressure signal with respect to the reference signal and outputting pressure data having a value corresponding to the measured delay time difference. Characterized in that.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 접촉 및 압력센서는 접촉부와 압력부를 구비하여 외부에서 인가되는 접촉 및 압력에 응답하여 임피던스의 값이 가변되는 접촉 및 압력패드, 입력신호를 생성하는 입력신호 발생부, 입력신호를 제1 지연시간 지연하여 제1 기준신호를 생성하는 제1 기준신호 발생부, 입력신호를 제2 지연시간 지연하여 제2 기준신호를 생성하는 제2 기준신호 발생부, 접촉 및 압력패드의 접촉부와 연결되어 가변되는 임피던스 값에 응답하여 입력신호를 지연하여 접촉 신호를 발생하는 접촉 신호 발생부, 접촉 및 압력패드의 압력부와 연결되어 가변되는 임피던스 값에 응답하여 입력신호를 지연하여 압력신호를 발생하는 압력신호 발생부, 제1 기준신호에 대한 접촉 신호의 지연시간 차이를 측정하여 접촉 신호가 제1 기준신호보다 더 지연되면 접촉데이터를 발생하는 접촉데이터 발생부, 및 제2 기준신호에 대한 압력신호의 지연시간 차이를 측정하여 측정된 지연시간 차이에 상응하는 값을 가지는 압력데이터를 출력하는 압력데이터 발생부를 구비하는 것을 특징으로 한다.The contact and pressure sensor of the present invention for achieving the above another object is provided with a contact portion and a pressure portion, the input signal for generating a contact and pressure pad, the input signal of the impedance value is changed in response to the contact and pressure applied from the outside Generator, a first reference signal generator for generating a first reference signal by delaying the input signal by a first delay time, a second reference signal generator for generating a second reference signal by delaying the input signal by a second delay time, contacting And a contact signal generator for delaying an input signal in response to a variable impedance value connected to the contact portion of the pressure pad to generate a contact signal, and receiving the input signal in response to a variable impedance value connected to the pressure portion of the contact and pressure pad. The pressure signal generator for delaying the pressure signal and measuring the difference in the delay time of the contact signal with respect to the first reference signal to determine the contact signal as the first reference signal. The contact data generator for generating contact data when the delay is further delayed, and the pressure data generator for outputting pressure data having a value corresponding to the measured delay time difference by measuring a delay time difference of the pressure signal with respect to the second reference signal. It is characterized by including.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 압력센서 및 압력 측정 방법을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the pressure sensor and the pressure measuring method of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도3 은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 구성을 나타내는 블록도 이다.3 is a block diagram showing a configuration according to a first embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 입력신호 발생부(140)는 도2 의 기준신호 발생부(40)와 동일한 장치로 입력신호(input_sig)를 발생한다.Referring to FIG. 3, the
압력패드(161)는 외부에서 인가되는 압력에 응답하여 가변되는 임피던스(Impedance) 값을 갖는 모든 종류의 소자가 사용될 수 있다.The
압력신호 발생부(160)는 입력신호(input_sig)를 압력패드(161)의 임피던스 값의 변화에 따라 가변 지연하여 압력신호(pre_sig)로 출력한다. 압력신호(pre_sig)는 압력패드(161)에 압력이 인가되지 않으면 짧은 지연시간을 가지며 압력이 크게 인가될수록 더 긴 지연시간을 갖는다.The
기준신호 발생부(150)는 압력패드(161)에 압력이 인가되지 않는 경우에 압력신호 발생부(160)에서 입력신호(input_sig)가 지연되는 시간과 동일한 지연시간을 갖게 하기 위해 구성되고, 따라서 기준신호 발생부(150)는 압력패드(161)에 압력이 인가되지 않는 경우의 임피던스 값과 압력신호 발생부(160)의 임피던스 값을 합한 것과 같은 임피던스의 값을 가진다.The
이때 가변되는 임피던스의 값으로는 정전용량, 저항치, 및 유도용량 중 어떤 것이 변하여도 무관하나 가변되는 임피던스의 종류에 따라 기준신호 발생부(150)와 압력신호 발생부(160)의 구성이 결정된다.At this time, as the variable impedance value, any of capacitance, resistance value, and inductance may be changed, but the configuration of the
즉 가변되는 임피던스가 정전용량인 경우, 압력신호 발생부(160)는 도2 의 제2 신호 발생부(60)와 같이 입력신호(input_sig)에 RC지연을 발행하기 위한 저항을 구비하며, 기준신호 발생부(150)는 도2 의 제1 신호 발생부(50)와 같이 저항과 접지전압에 연결된 캐패시터를 구비한다.That is, when the variable impedance is a capacitance, the
여기서 기준신호 발생부(150)는 기준신호(ref_sig)를 압력패드에 압력이 인가되지 않는 경우에 압력신호 발생부(160)에서 발생하는 압력신호(pre_sig)와 동일 한 지연시간을 갖게 하기 위하여 구성된다. 따라서 일 예로 기준신호 발생부(150)의 저항은 압력신호 발생부(160)의 저항과 동일한 저항치를 가지며 기준신호 발생부(150)의 캐패시터는 압력패드(161)에 압력이 인가되지 않았을 때의 정전용량과 동일한 정전용량을 갖게 한다.Here, the
마찬가지로 압력패드(161)의 임피던스 값으로 저항치가 가변되는 경우에 압력신호 발생부(160)는 접지전압과 연결되는 캐패시터를 구비하며, 기준신호 발생부(150)는 압력신호 발생부(160)의 캐패시터와 동일한 정전용량의 캐패시터와 압력패드(161)에 압력이 인가되지 않는 경우의 저항치와 같은 저항치를 갖는 저항을 구비한다.Similarly, when the resistance value is changed by the impedance value of the
또한 압력패드(161)의 임피던스 값으로 유도용량이 가변되는 경우에 압력신호 발생부(160)는 접지전압과 연결되는 저항을 구비하며, 기준신호 발생부(150)는 압력신호 발생부(160)의 저항과 동일한 저항치의 저항과 압력패드(161)에 압력이 인가되지 않는 경우의 유도용량과 같은 유도용량을 갖는 리액턴스를 구비한다.In addition, when the inductance is varied by the impedance value of the
압력데이터 발생부(170)은 기준신호(ref_sig)에 대한 압력신호(pre_sig)의 지연시간 차이를 측정하여 측정된 지연시간 차이에 상응하는 값을 압력데이터로 출력한다. 압력패드(161)에 압력이 인가되지 않는 경우에는 기준신호(ref_sig)와 압력신호(pre_sig)의 지연시간은 동일하므로 압력데이터의 값은 "0"이 출력이 되고, 압력패드(161)에 압력이 인가되면 압력패드(161)의 임피던스 값이 증가하여 압력신호(pre_sig)의 지연시간이 더 길어져서 지연시간 차이가 발생하므로 압력데이터의 값은 "0" 이상의 값이 출력된다.The
여기서 입력신호 발생부(140)에서 발생되는 입력신호(input_sig)의 주기가 길수록 그리고 압력패드(161)에 가변되는 임피던스 값의 폭이 클수록 더욱 큰 압력을 측정할 수 있다.The longer the period of the input signal (input_sig) generated by the
도4 는 도3의 압력데이터 발생부의 제1 실시 예를 나타내는 도면이다.4 is a diagram illustrating a first embodiment of the pressure data generator of FIG. 3.
샘플링신호 발생부(171)는 고주파의 샘플링신호(sam_sig)를 발생한다.The
카운터(172)는 샘플링신호(sam_sig)를 인가 받아 기준신호(ref_sig)가 인가되면 샘플링신호(sam_sig)를 계수하기 시작하고, 압력신호(pre_sig)가 인가되면 계수를 종료한다. 즉 기준신호(ref_sig)와 압력신호(pre_sig)의 지연시간이 차이 나는 동안 발생하는 계수 된 샘플링신호(sam_sig)의 개수를 압력데이터(pre_data)로 출력한다.The
따라서 기준신호(ref_sig)와 압력신호(pre_sig)의 지연시간 차이를 샘플링신호(sam_sig)로 측정을 하므로, 샘플링신호(sam_sig)의 주기가 짧을수록 더욱 정밀한 측정이 가능하다.Therefore, since the delay time difference between the reference signal ref_sig and the pressure signal pre_sig is measured as the sampling signal sam_sig, the shorter the period of the sampling signal sam_sig, the more accurate measurement is possible.
제1 레벨 분류기(173)는 사용자가 인가하는 신호(user_sig)에 따라 압력을 지정된 단위로 구분하는 레벨(level)을 만들고, 카운터(172)에서 출력되는 압력데이터(pre_data)를 분석하여 대응하는 레벨 값(level data)을 출력한다.The
예를 들어 카운터(172)에서 출력되는 압력데이터(pre_data)가 4비트의 이진 데이터라면 출력되는 값은 "0000"부터 "1111"까지로 나타나고 제1 레벨 분류기(173)가 2비트의 2진 데이터를 출력하면, 카운터(172)에서 출력되는 압력데이터(pre_data)가 "0000"에서 "0011"의 범위로 출력되면 제1 레벨 분류기(173)에서 출 력되는 레벨 값(level data)은 "00"으로 출력된다.For example, if the pressure data (pre_data) output from the
마찬가지로 압력데이터(pre_data)가 "0100"에서 "0111"의 범위로 출력되면 제1 레벨 분류기(173)에서 출력되는 레벨 값(level data)은 "01"로 출력되고, 압력데이터(pre_data)가 "1000"에서 "1011"의 범위로 출력되면 제1 레벨 분류기(173)에서 출력되는 레벨 값(level data)은 "10"으로 출력되며, 압력데이터(pre_data)가 "1100"에서 "1111"의 범위로 출력되면 제1 레벨 분류기(173)에서 출력되는 레벨 값(level data)은 "11"로 출력된다.Similarly, when the pressure data pre_data is output in the range of "0100" to "0111", the level data output from the
도5a 내지 도5c는 도4 의 압력데이터 발생부의 동작을 설명하기 위한 신호 타이밍도 이다.5A to 5C are signal timing diagrams for explaining the operation of the pressure data generator of FIG.
도3 과 도4 를 참조로 하여 도5a 내지 도5c 를 설명하면, 도5a 는 압력패드(161)에 압력이 인가되지 않았을 경우로 기준신호(ref_sig)와 압력신호(pre_sig)의 지연시간이 동일하다. 따라서 기준신호(ref_sig)와 압력신호(pre_sig)간의 지연시간 차이가 없으므로 카운터(172)에 계수되는 샘플링신호의 개수는 0이고, 카운터(172)는 "0000"을 출력한다.Referring to FIGS. 5 and 5C with reference to FIGS. 3 and 4, in FIG. 5A, when the pressure is not applied to the
도5b 는 압력패드(161)에 소정의 압력이 인가되었을 경우로 기준신호(ref_sig)보다 압력신호(pre_sig)의 지연시간이 길어져서 지연시간의 차(Td)가 발생하였다.In FIG. 5B, when a predetermined pressure is applied to the
도5c 는 도5b에서 발생한 지연시간의 차이에 대해 도4 의 샘플링신호(sam_sig)로 계수하는 것으로 기준신호(ref_sig)의 상승 에지에서 계수를 시작하고, 압력신호(pre_sig)의 상승 에지에서 계수를 종료한다. 샘플링신호(sam_sig)의 상승 에지에서 카운터가 동작한다고 하면 2번의 샘플링신호(sam_sig)가 계수 되어 압력데이터 발생부(70)에서는 2에 해당하는 이진수 "0010"이라는 압력데이터(pre_data)가 출력된다.FIG. 5C shows the difference in the delay time generated in FIG. 5B by counting the sampling signal sam_sig of FIG. 4, starting counting at the rising edge of the reference signal ref_sig and counting the counting at the rising edge of the pressure signal pre_sig. Quit. When the counter operates on the rising edge of the sampling signal sam_sig, the second sampling signal sam_sig is counted, and the
도6 은 도3의 압력데이터 발생부(170)의 제2 실시 예를 나타내는 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating a second embodiment of the
지연부(174)는 복수개의 지연소자(D1, D2, ... Dn)으로 구성되고 기준신호(ref_sig)를 인가 받아 각 지연소자의 지연시간만큼씩 지연하여 각각 지연된 기준신호를 출력(Q1, Q2, ... Qn)한다.
비교부(175)는 복수개의 비교기(C1, C2, ... Cn)로 구성되어 지연부에서 각각 출력되는 지연된 기준신호(Q1, Q2, ... Qn)를 압력신호(pre_sig)와 비교하여 압력신호(pre_sig)보다 지연된 기준신호(Q1, Q2, ... Qn)가 빠르면 "1"을 각각 출력하고, 압력신호(pre_sig)보다 지연된 기준신호(Q1, Q2, ... Qn)가 느리면 "0"을 각각 출력한다. 즉 각각의 비교기(C1, C2, ... Cn)에서 출력되는 신호는 온도계코드(Thermometer code) 형식의 이진 코드가 압력데이터(pre_data)로 출력된다.The
따라서, 기준신호(ref_sig)와 압력신호(pre_sig)의 지연시간 차이를 지연소자(D1, D2, ... Dn)의 개수와 각 지연소자(D1, D2, ... Dn)의 지연시간으로 측정을 하므로, 지연소자(D1, D2, ... Dn)의 수가 많고 지연시간이 짧을수록 더욱 정밀한 측정이 가능하다.Therefore, the difference between the delay time between the reference signal ref_sig and the pressure signal pre_sig is the number of delay elements D1, D2, ... Dn and the delay time of each delay element D1, D2, ... Dn. Since the number of delay elements D1, D2, ... Dn is large and the delay time is short, more accurate measurement is possible.
제2 레벨 분류기(173′)는 사용자가 인가하는 신호(user_sig)에 따라 압력을 지정된 단위로 구분하는 레벨(level)을 만들고, 비교부(175)에서 출력되는 온도계코드(Thermometer code) 형식의 압력데이터(pre_data)를 분석하여 대응하는 레벨 값(level data)을 출력한다.The second level classifier 173 'creates a level for dividing the pressure into a predetermined unit according to a signal (user_sig) applied by the user, and the pressure in the form of a thermometer code output from the
예를 들어 지연부(174)의 지연소자(D1, D2, ... Dn)의 개수가 즉 n이 8개라면 비교부(175)에서 출력되는 압력데이터(pre_data)는 8비트의 온도계코드형식의 이진 데이터로 출력되고, 출력되는 값은 "00000000"부터 "11111111"까지로 나타난다.For example, if the number of delay elements D1, D2, ... Dn of the
제2 레벨 분류기(173′)가 2비트의 2진 데이터를 출력하면, 비교부(175)에서 출력되는 압력데이터(pre_data)가 "00000000"에서 "11000000"의 범위로 출력되면 제2 레벨 분류기(173′)에서 출력되는 레벨 값(level data)은 "00"으로 출력된다.When the second level classifier 173 'outputs 2-bit binary data, when the pressure data pre_data output from the
마찬가지로 비교부(175)에서 출력되는 압력데이터(pre_data)가 "11100000"에서 "11110000"의 범위로 출력되면 제2 레벨 분류기(173′)에서 출력되는 레벨 값(level data)은 "01"로 출력되고, 압력데이터(pre_data)가 "11111000"에서 "11111100"의 범위로 출력되면 제2 레벨 분류기(173′)에서 출력되는 레벨 값(level data)은 "10"로 출력되며, 압력데이터(pre_data)가 "11111110"에서 "11111111"의 범위로 출력되면 제2 레벨 분류기(173′)에서 출력되는 레벨 값(level data)은 "11"로 출력된다.Similarly, when the pressure data pre_data output from the
도3 과 도6 을 참조로 하여 도7a 내지 도7c 를 설명하면, 도7a 는 압력패드(161)에 압력이 인가되지 않았을 경우로 기준신호(ref_sig)와 압력신호(pre_sig)의 지연시간이 동일하다. 따라서 첫 번째 지연소자(D1)를 거친 지연된 기준신호(Q1)이 압력신호(pre_sig)보다 지연시간이 느리므로 비교부(175)에서는 "00000000" 이라는 온도계코드형식의 이진 데이터를 출력한다.7A to 7C with reference to FIGS. 3 and 6, in FIG. 7A, when the pressure is not applied to the
도7b 도5b와 마찬가지로 압력패드(161)에 소정의 압력이 인가되었을 경우로 기준신호(ref_sig)보다 압력신호(pre_sig)의 지연시간이 길어져서 지연시간의 차(Td)가 발생하였다.7B, when a predetermined pressure is applied to the
도7c는 도7b의 기준신호(ref_sig)를 지연부(174)로 인가하여 각각의 지연소자(D1, D2, ... Dn)를 거쳐서 출력되는 지연된 기준신호(Q1, Q2, ... Qn)와 압력신호(pre_sig)를 비교부(175)의 각각의 비교기(C1, C2, ... Cn)에서 비교하는 도면으로 세 번째 지연소자(D3)를 거친 지연된 기준신호(Q3)가 압력신호(pre_sig)보다 느리게 나타난다. 따라서 비교부(175)는 압력데이터(pre_data)로 "11000000"라는 온도계코드형식의 이진데이터를 출력한다.FIG. 7C illustrates the delayed reference signals Q1, Q2, ... Qn outputted through the respective delay elements D1, D2, ... Dn by applying the reference signal ref_sig of FIG. 7B to the
도8 은 본 발명에 따른 압력센서의 제2 실시 예에 따른 구성을 나타내는 블록도 이다.8 is a block diagram showing a configuration according to a second embodiment of a pressure sensor according to the present invention.
도8에서 압력패드(161), 입력신호 발생부(140), 압력신호 발생부(160)는 도3 과 동일하다.In FIG. 8, the
도8 의 압력센서는 도3 의 기준신호 발생부(150)를 제거하고 영점데이터 조절부(280)가 추가로 구비되어 있다.The pressure sensor of FIG. 8 removes the
영점데이터 조절부(280)는 외부로부터 사용자의 명령(user_com)을 인가 받아 사용자의 명령(user_com)이 인가될 때 압력데이터 발생부(270)에서 입력신호(input_sig)와 압력신호(pre_sig)의 지연시간 차이로 인해 발생되는 지연데이터를 영점데이터(zero_data)로 인가 받아 저장한다. 그리고 이후 압력데이터 발생부(270)에 발생되는 지연데이터에서 영점데이터(zero_data)를 감산하여 압력데이터 (pre_sig)를 출력하도록 한다.The zero
압력데이터 발생부(270)는 압력신호(pre_sig)와 입력신호(input_sig)를 인가 받아 두 신호의 지연시간 차이로 지연데이터를 발생한다. 그리고 영점데이터 조절부(280)에 사용자의 명령(user_com)이 인가되면 지연데이터를 영점데이터 조절부(280)로 출력한다. 또한 감산기(미도시)를 구비하여 압력데이터(pre_data) 출력 시에 영점데이터 조절부(280)에 저장된 영점데이터(zero_data)가 있으면 지연데이터에서 영점데이터(zero_data)를 감산하여 압력데이터(pre_data)를 출력한다.The
이러한 영점데이터(zero_data)는 일반적으로 압력패드(161)에 압력이 인가되지 않을 때의 압력데이터(pre_data)를 영점데이터(zero_data)로 저장하는 경우가 많으나, 용기에 담긴 물체의 무게 등을 확인하고자 할 때 용기의 무게를 영점데이터(zero_data)로 설정한 뒤 용기에 담긴 물체의 무게를 재는 등의 용도로 사용할 수 있다.Such zero data (zero_data) generally stores the pressure data (pre_data) when the pressure is not applied to the
또한 도4 와 도6 에 도시된 제1, 제2 레벨 분류기(173, 173′)에서 사용자가 레벨의 범위를 지정할 수 있으므로, 제1, 제2 레벨 분류기(173, 173′)에서 압력데이터(pre_data)의 특정 범위를 영점데이터(zero_data)로 지정하여 사용하도록 하여 레벨 분류기(173, 173′)가 영점데이터 조절부(280)를 대체하여 사용할 수 있다.In addition, since the user can designate a range of levels in the first and
도9 는 종래의 접촉센서와 본 발명의 압력센서를 결합한 접촉 및 압력센서의 구성을 나타내는 블록도 이다.9 is a block diagram showing the configuration of a contact and pressure sensor incorporating a conventional contact sensor and the pressure sensor of the present invention.
접촉 및 압력패드(261)은 최상단이 도체로 구성되어 접촉되는 물체의 정전용량을 감지하도록 되어있으며, 그 아래에 절연체를 두고 접지전압(GND)에 연결된 도 체와, 절연체를 두고 압력신호 발생부(160)로 가변되는 임피던스의 값을 전송하는 도체와, 최하단에 다시 절연체를 두어 구성하였다. 최상단의 도체는 접촉되는 물체의 정전용량을 감지하기 위한 것으로 접촉신호 발생부(260)와 연결되어 있으나, 아래에 위치하는 접지전압(GND)에 연결된 도체와 압력신호 발생부(160)에 연결되는 도체는 가운데 탄성이 있는 절연체를 둠으로 인해 압력에 의해 정전용량이 변화하고 이 정전 용량의 변화를 압력신호 발생부(160)로 전달한다.The contact and
입력신호 발생부(140)와 압력신호 발생부(160)와 압력데이터 발생부(170)은 도3 과 동일하며 제2 기준신호 발생부(150)는 도3의 기준신호 발생부(150)와 동일하다. The
제1 기준신호 발생부(250)와 접촉신호 발생부(260)와 접촉데이터 발생부(290)는 도2 의 제1 신호 발생부(50)와 제2 신호 발생부(60)와 접촉신호 발생부(70)와 동일하다.The first
도9 의 접촉 및 압력센서는 하나의 압력패드로 접촉과 동시에 압력을 인식하므로 전기적 스크롤 및 선택 장치로 유용하게 사용할 수 있다.The contact and pressure sensor of Figure 9 can be usefully used as an electric scroll and selection device because it recognizes the pressure at the same time with a single pressure pad.
도10a 내지 도10d는 도3 과 도8 의 압력센서와 도9의 접촉 및 압력센서를 응용한 장치들을 나타내는 도면이다.10A to 10D are views showing devices in which the pressure sensor of FIGS. 3 and 8 and the contact and pressure sensors of FIG. 9 are applied.
도10a 는 본 발명의 압력센서를 이용한 압력 측정 장치의 일 예이다.Figure 10a is an example of a pressure measuring device using a pressure sensor of the present invention.
압력센서(310)는 도3 또는 도8 에 나타난 압력센서로서 외부에서 인가되는 압력(P)에 응답하여 임피던스가 가변되는 압력패드를 구비하여 압력(P)에 상응하는 압력데이터(pre_data)를 제어부(320)로 출력한다.The
디스플레이부(330)는 디스플레이데이터(display_data)를 제어부(320)로부터 인가 받아 화면에 출력한다.The
제어부(320)은 사용자 명령(user_com)을 인가 받아 압력센서(310)로부터 인가받은 압력데이터(pre_data)를 사용자가 지정하는 방식으로 변환하여 디스플레이데이터(display_data)를 디스플레이부(330)로 출력한다.The
일 예로 사용자 명령(user_com)이 제어부에 지정된 단위 중 하나인 무게의 단위로 킬로그램(Kg)을 지정하면 제어부(320)는 압력데이터(pre_data)에 상응하는 킬로그램(Kg)의 데이터를 디스플레이데이터(display_data)로 변환하여 디스플레이부(330)로 출력한다.For example, when the user command user_com specifies the kilogram Kg as a unit of weight, which is one of the units specified in the controller, the
도10a 의 압력 측정 장치에서 압력센서(310)는 제어부에서 지정된 단위를 설정하므로 도3 나타난 압력데이터 발생부(170)의 구성인 도4 와 도6 의 레벨 분류기(173, 173′)가 생략된다.In the pressure measuring apparatus of FIG. 10A, since the
도10b 는 도3 과 도8 에 나타난 압력센서를 이용한 전기적 스크롤 장치의 일 예로서 마우스를 나타낸다.FIG. 10B illustrates a mouse as an example of the electric scroll device using the pressure sensor shown in FIGS. 3 and 8.
입력부(410)는 마우스의 움직임 정보를 제어부로 전송한다. The
두 개의 압력패드(421, 422)는 상하로 배치되어 사용자가 인가하는 압력에 응답하여 임피던스의 값이 가변된다.The two pressure pads 421 and 422 are disposed up and down to change the impedance value in response to the pressure applied by the user.
제어부(420)는 입력부(410)에서 마우스의 움직임 정보와, 두 개의 압력패드(421, 422)의 임피던스 값의 변화를 감지하여 임피던스 값에 상응하는 방향과 속도로 접속된 컴퓨터의 화면을 스크롤 하기 위한 신호를 발생한다.The
인터페이스부(430)는 제어부(420)에서 출력되는 신호를 접속된 컴퓨터가 지정하는 양식으로 전송하도록 변환한다.The
따라서, 상기 마우스는 종래의 기계적인 휠을 대신하여 두 개의 압력센서로서 간단하게 전기적인 스크롤의 기능을 구현한다.Thus, the mouse implements the function of electric scroll simply as two pressure sensors in place of the conventional mechanical wheel.
도10c 와 도10d 는 도9 의 접촉 및 압력센서를 이용하여 전기적 스크롤 및 선택 장치를 구현한 예로서 휴대 단말기 또는 MP3 플레이어에 적용되었다.10C and 10D have been applied to a portable terminal or an MP3 player as an example of implementing an electric scroll and selection device using the contact and pressure sensor of FIG.
복수개의 접촉 및 압력패드는 소정의 패턴으로 배치되어 스크롤 및 선택 장치로 이용하도록 하였다. 즉 사용자가 특정 위치의 접촉 및 압력패드에 압력을 가하면 디스플레이 화면이 이동하거나 디스플레이 화면의 포인터가 이동하도록 하며 압력의 세기가 클수록 이동의 속도를 빠르게 할 수 있다. 또한 접촉을 인식하여 화면에 표시된 특정항목을 선택하는 위치 선택 장치로 이용할 수 있다.A plurality of contact and pressure pads were arranged in a predetermined pattern for use as a scroll and selection device. That is, when the user applies pressure to the contact pad and the pressure pad at a specific position, the display screen moves or the pointer on the display screen moves, and as the pressure intensity increases, the movement speed can be increased. In addition, it can be used as a location selection device that recognizes a contact and selects a specific item displayed on the screen.
종래의 접촉센서를 이용하는 경우에는 화면이 이동하는 방향과 속도를 감지하기위해서는 각각의 방향으로 복수개의 접촉패드가 필요하였으나, 이 접촉 및 압력패드는 접촉뿐만 아니라 압력을 감지하므로 접촉 및 압력패드를 각 방향으로 하나씩만 배치하여도 화면이 이동하는 방향과 속도를 감지할 수 있으므로 공간 활용이 우수하다.In the case of using a conventional touch sensor, a plurality of contact pads are required in each direction to detect the direction and speed at which the screen moves, but the contact and pressure pads sense pressure as well as contact, so that the contact and pressure pads may be Even if you place only one in the direction, you can detect the direction and speed of the screen movement, so the space utilization is excellent.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be able to variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below. It will be appreciated.
따라서, 본 발명의 압력센서 및 압력 측정 장치는 압력의 변화를 대응하는 지연시간의 변화로 변환하여 압력을 측정하며, 인가되는 신호의 주기를 변화시키거나 지연소자의 지연시간과 개수를 변경하여 측정 가능한 압력의 강도나 정밀도를 쉽게 조정할 수 있다. 또한 측정된 압력을 바로 디지털 값으로 출력하므로 별도의 변환장치가 불필요하여 구현이 간단하고 소형으로 제작하기가 용이하며 노이즈에 강하다. 그리고 접촉 및 압력센서를 이용하여 전기적 스크롤 및 선택장치로 이용하면 각종 휴대용 기기에 네비게이션 기능이나 볼륨 조절 기능을 작은 공간에 손쉽게 구현할 수 있으며, 전자저울과 같은 압력 측정 장치에 이용하여 접촉이 떨어지면 일정시간 후에 전원을 차단하거나 줄여서 절전 모드로 동작시킬 수 있다.Therefore, the pressure sensor and the pressure measuring device of the present invention measures the pressure by converting the change in the pressure into a change in the corresponding delay time, by measuring the period of the applied signal or by changing the delay time and the number of delay elements You can easily adjust the strength or precision of the possible pressure. In addition, the measured pressure is directly output as a digital value, so there is no need for a separate converter, so it is simple to implement, small and easy to manufacture, and strong in noise. In addition, using the contact and pressure sensor as an electric scroll and selector, navigation and volume control can be easily implemented in a small space on various portable devices. Later, power can be turned off or turned off to save power.
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