KR100775015B1 - 적외선 센서 모듈 - Google Patents

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KR100775015B1
KR100775015B1 KR1020060079121A KR20060079121A KR100775015B1 KR 100775015 B1 KR100775015 B1 KR 100775015B1 KR 1020060079121 A KR1020060079121 A KR 1020060079121A KR 20060079121 A KR20060079121 A KR 20060079121A KR 100775015 B1 KR100775015 B1 KR 100775015B1
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infrared sensor
piezoelectric actuator
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square wave
dome
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윤만순
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주식회사 아이노바
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Abstract

적외선 센서 모듈이 제공된다. 본 발명은 적외선을 방사하는 물체를 감지하기 위한 적외선 센서, 돔형태의 압전소자로 구성되고, 압전소자는 분극 방향이 곡률 중심을 향하며, 인가되는 신호의 파형에 따라 돔 정점에 수직인 방향으로 팽창 및 수축을 반복하는 압전 액츄에이터, 상기 압전 액츄에이터의 돔 정점에 일측이 고정된 막대 형태로 이루어진 진동축, 상기 진동축에 축방향으로 이동가능하도록 결합되어 있는 이동체, 상기 이동체에 고정되며, 상기 적외선 센서의 전방에 위치하여 입사되는 적외선을 단속하기 위한 가림판, 구형파를 출력시켜서 상기 압전 액츄에이터에 인가하기 위한 발진부, 상기 적외선 센서로부터 읽어들인 신호에 따라 상기 발진부를 제어하여 상기 압전 액츄에이터를 구동시키는 제어부를 포함한다. 본 발명에 의하면 적외선 센서 모듈은 돔형 압전 액츄에이터를 이용하여 단순한 구조로 이루어지며, 발생력이 비교적 크고, 저전압에서 구동이 가능하다는 효과가 있다.
적외선, IR, 압전바이몰프, 압전소자, 압전 액츄에이터, 초전형, 돔형, 분말사출성형.

Description

적외선 센서 모듈 {Module of infrared sensor}
도 1은 종래 초전형 적외선 센서의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 종래 초전형 적외선 센서의 초전체의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 종래 초전형 적외선 센서의 주파수에 따른 출력을 보여주는 그래프이다.
도 4는 종래 압전바이몰프의 구성 및 변위를 보여주는 도면이다.
도 5는 종래 압전바이몰프와 슬릿으로 구성된 초전형 적외선 센서의 사시도이다.
도 6은 도 5의 초전형 적외선 센서에서 적외선을 단속하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 센서 모듈에서 인가 파형에 따른 압전 액츄에이터의 변위를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유한요소법 해석에 의한 압전 액츄에이터의 변위를 보여주는 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 센서 모듈에서 인가 파 형에 따른 압전 액츄에이터와 이동체의 모습을 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 센서 모듈에서 압전 액츄에이터, 진동축, 이동체, 탄성체의 모습을 보여주는 도면이다.
도 12는 도 11에서 가림판이 추가된 모습을 보여주는 도면이다.
도 13은 도 12에서 가이드가 추가된 모습을 보여주는 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 센서 모듈의 실제 모습을 보여주는 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 센서의 출력파형을 도시한 그래프이다.
도 16은 본 발멸의 일 실시예에 따른 적외선 센서 모듈의 내부구조를 보여주는 블록도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 압전 액츄에이터 103 진동축
105 이동체 107 가림판
109 탄성체 111 가이드
200 적외선 센서 203 적외선 창
300 발진부 400 제어부
500 부스터부 600 OP 앰프
700 전원부
본 발명은 적외선 센서 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 적외선을 단속하는 방식으로 움직이지 않는 적외선 방사체도 연속으로 감지할 수 있는 적외선 센서 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 초전형 적외선 센서는 초전 재료의 초전성을 이용하는 것으로, 흑체 방사를 근거로 한 적외선의 방사에너지의 흡수에 의한 온도 변화를 이용하는 센서이다. 초전형 적외선 센서는 사람의 몸에서 복사되는 적외선을 감지할 수 있으므로 인체 감지에 가장 많이 이용되고 있으며, 자동 조명등, 출입문의 자동 개폐, 자동 급수 장치, 침입 경보기 등에 활용되고 있다. 또한, 적외선 흡수를 이용한 각종 가스 검지기, 유독 가스 경보기, 화재 경보기 등에도 응용되고 있다.
이와 같은 초전형 적외선 센서는 과도적인 온도 변화를 검출하기 때문에 초전 재료의 온도가 변한 후, 안정 상태가 되면 출력은 더 이상 검출되지 않는다. 즉 적외선이 입사되는 최초 1회만 출력 신호가 발생하고, 그 이후에 열원이 계속 존재하고 있더라도 움직이지 않는 경우에는 더 이상의 출력신호가 발생하지 않는다. 이러한 점 때문에 초전형 적외선 센서는 그 응용분야에 있어서 결정적인 문제점을 갖고 있다. 예를 들어, 화장실, 아파트 현관, 지하 계단 등에 초전형 적외선 센서를 구비한 자동 조명등이 많이 설치되어 있는데, 이 조명등은 사람이 나타나면 일단 등에 불이 들어오지만 일정시간이 경과하면 사람이 있는데도 불구하고 조명등이 꺼 진다. 이러한 초전형 적외선 센서의 문제점을 해결하기 위하여 입사 적외선을 일정 주기로 단속시켜서 초전 재료에 연속적인 온도 변화를 부여해야만 한다.
도 1은 종래 초전형 적외선 센서의 구성을 보여주는 도면이다.
일반적으로 초전형 적외선 센서는 Pb(Zr,Ti)O3계의 압전세라믹이나 LiTaO3와 같은 단결정을 사용하며, 도 1에서 보는 바와 같이, 적외선 파장 만을 선택적으로 통과시키는 실리콘창(2)을 캡(6)상부 중앙에 설치하고, 실리콘창(2)을 통과한 적외선을 감지하는 초전체(4)를 도전성지지대(5) 상부에 도전성 접착제로 고정한 후 초전체(4)에서 발생하는 신호를 증폭하도록 고임피던스(7)와 FET(8)를 연결하여 하부지지대(3)에 설치한 다음, 캡(1)을 질소 봉입하는 구조로 되어 있다. 한편, 하부지지대(3)에는 신호를 외부로 유도하는 와이어(9)가 설치되어 있다.
초전체(4)의 작동원리는 도 2에 도시되어 있다. 도 2는 종래 초전형 적외선 센서의 초전체의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다. 초전체(4)는 열에너지를 흡수하면 표면전하를 발생시키는 자발분극(10) 양이 변화하게 된다. 또한 표면전하(11)는 분극의 변화량에 비례한다. 이러한 현상을 초전효과라 하며, 세라믹재료를 이용하는 초전센서는 인체로부터 방사되는 미세한 적외선 에너지를 감지할 수 있다. 이를 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2 (a)에서 보는 바와 같이, 초전체(4) 내부에 특정방향의 자발분극(10)을 갖도록 하면, 열적평형이 이루어진 온도 T[K] 상태에서 표면전극에 표면전하(11)가 유도되어 전기적인 중성을 유지하게 된다. 그러나, 이러한 상태에서 초전체에 열에 너지를 갖는 적외선이 입사하게 되면, 초전체(4)의 온도가 T[K]에서
Figure 112006059569262-pat00001
만큼 상승하게 되며, 온도에 비례하여 내부의 자발 분극량(10)이 도 2 (b)에서 보는 것처럼 감소하게 된다. 이와 같은 자발분극(10)의 변화는 급속히 진행되고, 표면에 결합되어 있던 표면전하(11)의 일부가 자유전하(12)로 된다. 이렇게 내부의 자발분극(10)과 결합하지 못한 자유전하(12)는 초전재료의 전극표면과 연결된 도선(13)을 통하여 흐르고 도선(13)의 중간에 설치된 고임피던스 부하(14)를 통과하여 소실된다. 이때 고임피던스 부하(14)의 양단에 전압계를 연결하면 흐르는 자유전하의 양에 비례하는 전압이 검출된다. 이와 같이 자유전하(12)가 도선을 따라 방출된 후 더 이상의 온도변화가 발생하지 않으면 초전재료로부터 자유전하의 방출은 사라지고 고임피던스(14)에서 전압이 검출되지 않아 더 이상 적외선 센서로부터 신호가 감지되지 않는다. 따라서, 연속적인 출력신호를 검출하기 위해서는 초전재료에 입사되는 적외선을 단속시켜 초전재료의 온도가 T[K]에서
Figure 112006059569262-pat00002
로 연속적인 가역적 변화를 발생시켜야 한다.
이때, 단속주기가 너무 빠르면 초전체가 적외선에 의하여 가열되지 못하게 되고, 따라서 온도변화가 감소하게 되어 출력전압의 크기가 감소하며, 반면 단속주기가 너무 느리면 초전체의 자발분극의 감소가 순차적으로 발생하여, 소량의 자유전하가 고임피던스(14)에 흐르게 되어 많은 양의 자유전하를 동시에 발생시키지 못하게 된다. 따라서 초전재료의 열용량을 고려하여 단속주기를 적절하게 조절할 필요가 있다.
도 3은 종래 초전형 적외선 센서의 주파수에 따른 출력을 보여주는 그래프이다. 도 3에서 보는 바와 같이, 주파수가 1 [Hz]일 때, 최대출력이 얻어지는 것을 알 수 있다. 즉, 적외선의 단속주기를 1 [Hz]로 설정할 때, 초전형 적외선 센서의 최대출력을 얻게 된다.
최근 2개의 바이몰프 압전 바이몰프 진동자와 2개의 슬릿판을 이용하여 적외선 단속장치를 구성한 것이 개발되었다. 먼저 압전바이몰프의 동작 원리를 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 압전소자는 전기에너지를 인가할 때 변위를 발생시키는 특성을 갖고 있으며 이때 발생되는 변위는 다음식에 의하여 얻어진다.
식(1) x=dE
여기서, x는 변위량, d는 압전상수, E는 인가전압을 나타낸다. 통상의 압전재료는 1cm의 길이에 10kV를 인가하면 약
Figure 112006059569262-pat00003
정도의 변위가 발생한다. 이렇게 작은 변위를 크게 하기 위하여 도 4와 같은 압전소자(21)사이에 금속탄성판(22)을 넣고 접착제로 접착한 후 한쪽을 고정체(23)에 고정하면 다른 끝 단의 변위는 다음 식에 의하여 발생한다.
식(2)
Figure 112006059569262-pat00004
여기서,
Figure 112006059569262-pat00005
은 발생변위,
Figure 112006059569262-pat00006
은 경방향 압전 상수, l은 자유단의 길이, t는 압전소자 각각의 두께, E는 인가전압을 나타낸다. 이때 발생하는 변위량은 통상길이를 10mm로 한 후 1kV의 전압을 인가하면
Figure 112006059569262-pat00007
정도의 변위가 발생한다. 즉, 압전바이몰프로 제작할 경우 변위를 수십배 가량 증폭시킬 수 있다.
이러한 기본적인 원리를 이용하여 최근 개발된 초전형 적외선 센서의 전체 구성도를 도 5에 나타내었다. 도 5는 종래 압전바이몰프와 슬릿으로 구성된 초전형 적외선 센서의 사시도이다.
도 5에서 적외선을 선택적으로 투과하는 실리콘 창(60)이 캡 상부(61)에 설치되어 있고, 이 창을 통하여 적외선(62)이 입사된다. 입사된 적외선은 압전바이몰프(63) 자유단 끝에 설치된 슬릿판(64, 64')에 의하여 단속되어 초전소자(65)가 설치된 쉴드 박스(66) 상부에 형성된 원형 홀(67)을 통과하여 초전소자(65)에 입사된 후, 적외선양에 비례하는 전압이 검출되도록 구성되어 있다.
도 6은 도 5의 초전형 적외선 센서에서 적외선을 단속하는 원리를 설명하기 위한 도면이다. 초기에 압전바이몰프에 인가되는 전압이 0 [V]인 경우에는 도 6 (a)에서 보는 바와 같이 상부 슬릿판(82)과 하부 슬릿판(83)이 열린상태로 되어 있어서 적외선(81)이 통과하게 되어 있다. 그러나, 압전바이몰프에 전압이 인가되면 슬릿이 서로 엇갈리게 되어 도 6 (b)에서 보는 바와 같이 적외선(81)이 차단되는 구조가 된다.
이러한 구조의 적외선 단속장치는 소비전력이 30mW로 모터형에 비하여 1/40 정도로 작으며, 크기도 1/20로 줄일 수 있는 장점이 있고, 구동주파수도 5Hz로 낮추어 사용할 수 있다. 그러나, 입사광이 슬릿판의 슬릿이외의 폐쇄된 면에 의하여 1/2로 낮아지기 때문에, 이에 비례하여 출력전압도 1/2로 낮아지게 된다. 또한 슬릿의 가공도가 정밀하지 않을 경우 감도의 변화가 심하고, 슬릿을 가공하기 위한 단가가 높으며, 실제 압전바이몰프의 끝단은 직선운동이 아닌 원호 운동을 하므로 슬릿의 가공이 더욱 어려워진다. 또한, 두개의 압전바이몰프가 치수 및 압전성이 정확히 일치하여야 하므로 제작상의 어려움이 있다. 그리고, 적외선 감지소자가 내장된 쉴드 박스 위의 홀이 형성되어 있고, 그 위에 압전바이몰프 끝단에 설치된 슬릿판이 좌우로 움직이면서 공기의 흐름을 발생시켜서 노이즈의 원인이 되는 문제점도 있다. 이러한 문제점이 나타나는 원인은 압전바이몰프의 변위가 충분하지 못하여 발생하는 것으로 발생변위를 증가시키는 방안이 연구되고 있으나, 구조적 복잡함으로 상업적으로 이용되지 못하고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 돔형 압전 선형 압전모터를 이용한 적외선 단속장치를 고안하였다. 기존에 개발된 압전 선형모터는 장치에 인가되는 삼각파를 발생시키기 위해서는 회로가 복잡하게 되어 소형모터에 맞지 않는 문제점이 있다. 또한, 축의 변위를 키우기 위하여 멀티 레이어(multi-layer) 압전 액츄에이터를 사용할 경우, 낮은 구동전압으로 구동이 가능하고 발생력을 크게할 수 있는 장점이 있는 반면에 가격과 내구성 면에서 단점이 있다. 또한 압전바이몰프를 이용할 경우, 구동전압이 높고, 발생력이 낮은 단점이 있고, 연속구동시 금속판과 압전체의 박리현상에 의한 내구성의 저하를 피할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 양산성이 우수하고 치수 정밀도가 높으며, 임의 형상 제조가 용이한 분말사출성형 기법을 사용하여 제조된 돔형 압전 액츄에이터를 이용하여 단순한 구조로 이루어지며, 발생력이 비교적 크고, 저전압에서 구동이 가능한 적외선 단속장치를 구비한 적외선 센서 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 적외선을 조사하여 물체를 감지하기 위한 적외선 센서, 돔형태의 압전소자로 구성되고, 분극 방향이 곡률 중심을 향하며, 인가되는 신호의 파형에 따라 돔 정점에 수직인 방향으로 팽창 및 수축을 반복하는 압전 액츄에이터, 상기 압전 액츄에이터의 돔 정점에 일측이 고정된 막대 형태로 이루어진 진동축, 상기 진동축에 축방향으로 이동가능하도록 결합되어 있는 이동체, 상기 이동체에 고정되며, 상기 적외선 센서의 전방에 위치하여 입사되는 적외선을 단속하기 위한 가림판, 구형파를 출력시켜서 상기 압전 액츄에이터에 인가하기 위한 발진부, 상기 적외선 센서로부터 읽어들인 신호에 따라 상기 발진부를 제어하여 상기 압전 액츄에이터를 구동시키는 제어부를 포함한다.
상기 이동체의 이동거리를 제한하기 위하여 상기 진동축에 설치되는 가이드를 더 포함할 수 있다.
상기 발진부에서 출력된 구형파를 압전 액츄에이터에 적합한 전압으로 부스팅시키기 위한 부스터부를 더 포함할 수 있다.
상기 적외선 센서에서 출력되는 신호를 증폭시키기 위한 OP 앰프를 더 포함할 수 있다.
상기 진동축과 이동체 사이에 위치하여 이동체와 진동축을 결합시키기 위한 탄성체를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 적외선 센서로부터 기준치 이상의 신호가 있으면 상기 발진부를 제어하여 상기 압전 액츄에이터가 수축 또는 팽창하도록 하고, 상기 적외선 센서로부터 기준치 이하의 신호가 있으면 상기 발진부를 제어하여 상기 가림판이 적외선 센서를 가리지 않도록 압전 액츄에이터를 구동시킨뒤 동작을 정지시킬 수 있다. 이때, 상기 제어부는 상기 적외선 센서로부터 소정시간 이상 동안 신호가 없으면 상기 발진부의 전원을 오프(Off) 시킬 수 있다.
상기 압전 액츄에이터는 발진부로부터 소정 크기 이상의 펄스폭을 갖는 구형파가 인가되면 돔 정점에 수직인 방향으로 팽창할 수 있다. 즉, 상기 압전 액츄에이터는 발진부로부터 소정 크기 이상의 펄스폭을 갖는 구형파가 인가되는 경우, 구형파가 상승 및 최대값을 유지하는 구간에서는 돔 정점에 수직인 방향으로 팽창하고, 구형파가 하강하는 구간에서는 원래 형태로 복귀할 수 있다.
상기 압전 액츄에이터는 발진부로부터 소정 크기 이하의 펄스폭을 갖는 구형파가 인가되면 돔 정점에 수직인 방향으로 수축할 수 있다. 즉, 상기 압전 액츄에이터는 발진부로부터 소정 크기 이하의 펄스폭을 갖는 구형파가 인가되는 경우, 구형파가 상승 및 최대값을 유지하는 구간에서는 돔 정점에 수직인 방향으로 수축하고, 구형파가 하강하는 구간에서는 원래 형태로 복귀할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 센서 모듈의 내부구조를 보여주는 블록도이다. 적외선 센서 모듈은 압전 액츄에이터(actuator)(100), 진동축(103), 이동체(미도시), 가림판(107), 적외선 센서(200), 발진부(300), 제어부(400), 부스터부(500), OP 앰프(600), 전원부(700)를 포함하여 이루어진다.
적외선 센서(200)는 적외선을 조사하여 물체를 감지하는 역할을 한다. 도 16에서 적외선 센서(200)는 적외선만을 선택적으로 투과하기 위한 적외선 창(203)을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서 적외선 센서는 초전형 적외선 센서일 수 있다.
압전 액츄에이터(100)는 돔형태의 압전소자로 구성되고, 분극 방향이 곡률 중심을 향하며, 인가되는 신호의 파형에 따라 돔 정점에 수직인 방향으로 팽창 및 수축을 반복한다. 본 발명의 일 실시예에서 압전 액츄에이터(100)는 양산성이 우수하고 치수 정밀도가 높으며, 임의 형상 제조가 용이한 분말사출성형 기법을 사용하여 제조할 수 있으며, 돔형뿐만 아니라 유사한 3차원형상을 포함할 수 있다.
진동축(103)은 압전 액츄에이터(100)의 돔 정점에 일측이 고정된 막대 형태로 이루어진다.
이동체(미도시)는 진동축(103)에 축방향으로 이동가능하도록 결합되어 있다.
가림판(107)은 이동체에 고정되며, 적외선 센서(200)의 전방에 위치하여 입사되는 적외선을 단속하는 역할을 한다. 본 발명에서 압전 액츄에이터(100), 진동축(103), 이동체, 가림판(107) 등의 적외선을 단속하는 부분에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
발진부(300)는 제어부(400)의 제어에 따라 구형파를 출력시켜서 압전 액츄에이터(100)에 인가한다.
제어부(400)는 적외선 센서(200)로부터 읽어들인 신호에 따라 발진부(300)를 제어하여 압전 액츄에이터(100)를 구동시키게 된다.
부스터부(500)는 발진부(300)에서 출력된 구형파를 압전 액츄에이터(100)에 적합한 전압으로 부스팅(boosting)시키는 역할을 한다. 부스터부(500)는 발명의 실시예에 따라서 생략이 가능하다.
OP 앰프(600)는 적외선 센서(200)에서 출력되는 신호를 증폭시키는 역할을 한다. OP 앰프(600)는 발명의 실시예에 따라서 생략이 가능하다.
전원부(700)는 발진부(300)와 제어부(400)에 전원을 공급하는 역할을 한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 센서 모듈에서 압전 액츄에이터, 진동축, 이동체, 탄성체의 모습을 보여주는 도면이다.
도 11에서 돔형태의 압전소자로 구성된 압전 액츄에이터(100)와, 압전 액츄에이터(100)의 돔 정점에 일측이 고정된 막대 형태로 이루어진 진동축(103)과, 진 동축(103)에 축방향으로 이동가능하도록 결합되어 있는 이동체(105)가 도시되어 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 도 11에서 보는 바와 같이, 진동축(103)과 이동체(105) 사이에 위치하여 이동체(105)와 진동축(103)을 결합시키기 위한 탄성체(109)를 더 포함할 수 있다.
도 11의 장치에 가림판(107)을 추가시킨 모습이 도 12에 도시되어 있다. 가림판(107)은 탄성체(109)의 외측에 고정되며, 적외선 센서(200)의 전방에 위치하여 입사되는 적외선을 단속하게 된다. 본 발명의 일 실시예에서 가림판(107)은 스테인레스판을 가공하여 한 쪽을 스프링형태로 말아 이동체(105)의 외부에 고정시키고, 다른 쪽은 적외선 센서(200)를 가릴 수 있도록 구현될 수 있다.
도 13은 도 12에서 가이드가 추가된 모습을 보여주는 도면이다. 가이드(111)는 이동체(105)의 이동거리를 제한하기 위하여 진동축(103)에 설치된다.
이제 인가전압에 따라 압전 액츄에이터(100)가 구동되는 원리를 도면을 참조하여 설명하고자 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 센서 모듈에서 인가 파형에 따른 압전 액츄에이터의 변위를 보여주는 도면이다. 도 7 (b), (d)에서 화살표(A)로 표시된 부분은 분극방향이며, E는 전계방향을 나타낸다.
본 발명에서 압전 액츄에이터(100)는 분극방향이 곡률 중심을 향하고, 윗면과 아랫면의 전극면적 차이에 의하여 충전량의 차이가 존재하며, 이에 따라 동일 주파수에서 펄스폭의 변화에 따라 팽창과 수축이 반복된다.
즉, 도 7 (a)와 같이 발진부(300)로부터 소정 크기 이상의 펄스폭을 갖는 구형파가 인가되면 압전 액츄에이터(100)는 돔 정점에 수직인 방향으로 팽창한다. 압전 액츄에이터(100)가 팽창하는 모습이 도 7 (b)에 도시되어 있다. 도 7 (b)에서 압전 액츄에이터(100)는 점선으로 표시된 모습(100a)으로 팽창하게 된다.
반면, 도 7 (c)와 같이 발진부(300)로부터 소정 크기 이하의 펄스폭을 갖는 구형파가 인가되면 압전 액츄에이터(100)는 돔 정점에 수직인 방향으로 수축한다. 압전 액츄에이터(100)가 수축하는 모습이 도 7 (d)에 도시되어 있다. 도 7 (d)에서 압전 액츄에이터(100)는 점선으로 표시된 모습(100b)으로 수축하게 된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유한요소법(FEM:Finite Element Method) 해석에 의한 압전 액츄에이터의 변위를 보여주는 도면이다. 도 8 (a)는 압전 액츄에이터(100)가 팽창하는 모습을 도시한 것이고, 도 8 (b)는 압전 액츄에이터(100)가 수축하는 모습을 도시한 것이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 센서 모듈에서 인가 파형에 따른 압전 액츄에이터와 이동체의 모습을 보여주는 도면이다.
도 9 (a)는 압전 액츄에이터(100)를 팽창시키기 위해 인가되는 파형이고, 이때 발생하는 진동축(103)의 변위가 도 9 (b)에 도시되어 있다. 도 9 (a)는 최대값이 30 [V]인 구형파이다.
도 9 (c)에서 도 9 (a)와 같은 구형파가 인가되는 경우, 압전 액츄에이터(100)는 구형파가 상승 및 최대값을 유지하는 구간(a-b-c)에서는 돔 정점에 수직 인 방향으로 팽창하고, 구형파가 하강하는 구간(c-d)에서는 원래 형태로 복귀하게 된다. 이때, 이동체(105)의 움직임은 다음과 같다. 구형파가 상승 및 최대값을 유지하는 구간(a-b-c)에서 압전체의 저항과 커패시턴스에 의한 시정수 효과에 의하여 서서히 충전되므로 압전 액츄에이터(100)는 비교적 서서히 팽창하게되고 이동체(105)와 진동축(103)사이의 마찰력에 의하여, 이동체(105)는 (1)에서 (2)의 위치로 이동된다. 그리고, 인가된 구형파가 하강하는 구간(c-d)에서 돔형 압전 액츄에이터(100)에 충전된 전하를 급속히 접지로 방전시킴으로써 압전 액츄에이터(100)는 비교적 급속히 원래 형태로 복귀하므로, 관성이 마찰력보다 큰 상태가 되고, 이에 따라 이동체(105)는 (2)의 위치에 머무르게 된다. 이러한 과정이 반복되면서 이동체(105)는 화살표 방향으로 연속하여 이동하게 된다.
이와 반대로 도 10 (a)는 압전 액츄에이터(100)를 수축시키기 위해 인가되는 파형이고, 이때 발생하는 진동축(103)의 변위가 도 10 (b)에 도시되어 있다. 도 10 (a)는 최대값이 30 [V]인 구형파이다.
도 10 (c)에서 도 10 (a)와 같은 구형파가 인가되는 경우, 압전 액츄에이터(100)는 구형파가 상승 및 최대값을 유지하는 구간(a-b-c)에서는 돔 정점에 수직인 방향으로 수축하고, 구형파가 하강하는 구간(c-d)에서는 원래 형태로 복귀하게 된다. 이때, 이동체(105)의 움직임은 다음과 같다. 구형파가 상승 및 최대값을 유지하는 구간(a-b-c)에서 압전체의 저항과 커페시턴스에 의한 시정수 효과에 의하여 서서히 충전되므로 압전 액츄에이터(100)는 비교적 서서히 수축하게되고 압전 액츄에이터(100)는 비교적 서서히 수축하므로 이동체(105)와 진동축(103)사이의 마찰력 에 의하여, 이동체(105)는 (1)에서 (2)의 위치로 이동된다. 그리고, 인가된 구형파가 하강하는 구간(c-d)에서 돔형 압전 액츄에이터(100)에 충전된 전하를 급속히 접지로 방전시킴으로써 압전 액츄에이터(100)는 비교적 급속히 원래 형태로 복귀하므로, 관성이 마찰력보다 큰 상태가 되고, 이에 따라 이동체(105)는 (2)의 위치에 머무르게 된다. 이러한 과정이 반복되면서 이동체(105)는 화살표 방향으로 연속하여 이동하게 된다.
이처럼 본 발명에서는 펄스 신호폭만을 변조함으로써 용이하게 이동체(105)를 진동판(105)의 우측끝에서 좌측끝까지 임의 주기로 왕복하게 할 수 있으며, 이동체(105)에 가림판(107)을 설치하여 적외선 센서(200)에 입사하는 적외선을 단속할 수 있다.
즉, 본 발명에서 제어부(400)는 적외선 센서(200)로부터 읽어들인 신호에 따라 발진부(300)를 제어하여 구형파의 신호폭을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 제어부(400)는 적외선 센서(200)로부터 기준치 이상의 신호가 있으면 발진부(300)를 제어하여 압전 액츄에이터(100)가 수축 또는 팽창하도록 하고, 적외선 센서(200)로부터 기준치 이하의 신호가 있으면 발진부(300)를 제어하여 가림판(107)이 적외선 센서(200)를 가리지 않도록 압전 액츄에이터(100)를 구동시킨뒤 동작을 정지시킨다.
이때 제어부(400)는 적외선 센서(200)로부터 소정시간 이상 동안 신호가 없으면 발진부(300)의 전원을 오프(Off) 시킬 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 센서 모듈의 실제 모습을 보여 주는 도면이다. 도 14 (a)는 가림판(107)이 적외선 센서(200)의 적외선 창(203)을 가리지 않은 모습이고, 도 14 (b)는 가림판(107)이 적외선 센서(200)의 적외선 창(203)을 가린 모습이다.
본 발명에서 적외선 센서 모듈의 초기상태는 도 14 (a)와 같이 적외선 창(203)이 열린상태를 유지하여 적외선의 입사가 방해 받지 않도록 한다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 센서의 출력파형을 도시한 그래프이다. 도 15 (a)는 적외선 센서(200)가 방사체를 감지했을 때 출력되는 파형이다. 종래에는 도 15 (a)와 같은 파형이 발생한 후에 방사체에서 움직임이 없으면 더 이상의 출력파형이 발생하지 않는다. 그러나, 본 발명에서는 압전 액츄에이터(100)와 가림판(107)을 이용하여 주기적으로 적외선 센서(200)를 단속하기 때문에 정지된 방사체라도 적외선 센서(200)를 계속 동작시킬 수 있다. 즉, 도 15 (b)와 같이 연속적인 출력파형이 적외선 센서(200)에서 출력된다.
한편, 방사체가 사라져서 더 이상의 적외선을 방사하는 대상이 사라지게 되면, 적외선 센서(200)를 단속하더라도 도 15 (c)와 같이 적외선 센서(200)에서 출력신호가 발생하지 않는다. 이러한 경우에 제어부(400)는 대기모드로 복귀하기 위하여 발진부(300)를 제어하여 가림판(107)이 적외선 센서(200)를 가리지 않도록 압전 액츄에이터(100)를 구동시킨뒤 동작이 정지된 상태로 전환한다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통 상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 적외선 센서 모듈은 돔형 압전 액츄에이터를 이용하여 단순한 구조로 이루어지며, 발생력이 비교적 크고, 낮은 전압에서 구동이 가능하며, 정지된 적외선 방사체에도 연속적인 신호를 감지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 적외선을 조사하여 물체를 감지하기 위한 적외선 센서;
    돔형태의 압전소자로 구성되고, 분극 방향이 곡률 중심을 향하며, 인가되는 신호의 파형에 따라 돔 정점에 수직인 방향으로 팽창 및 수축을 반복하는 압전 액츄에이터;
    상기 압전 액츄에이터의 돔 정점에 일측이 고정된 막대 형태로 이루어진 진동축;
    상기 진동축에 축방향으로 이동가능하도록 결합되어 있는 이동체;
    상기 이동체에 고정되며, 상기 적외선 센서의 전방에 위치하여 입사되는 적외선을 단속하기 위한 가림판;
    구형파를 출력시켜서 상기 압전 액츄에이터에 인가하기 위한 발진부;
    상기 적외선 센서로부터 읽어들인 신호에 따라 상기 발진부를 제어하여 상기 압전 액츄에이터를 구동시키는 제어부
    를 포함하는 적외선 센서 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이동체의 이동거리를 제한하기 위하여 상기 진동축에 설치되는 가이드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발진부에서 출력된 구형파를 압전 액츄에이터에 적합한 전압으로 부스팅시키기 위한 부스터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적외선 센서에서 출력되는 신호를 증폭시키기 위한 OP 앰프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 진동축과 이동체 사이에 위치하여 이동체와 진동축을 결합시키기 위한 탄성체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 모듈.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 적외선 센서로부터 기준치 이상의 신호가 있으면 상기 발진부를 제어하여 상기 압전 액츄에이터가 수축 또는 팽창하도록 하고, 상기 적외선 센서로부터 기준치 이하의 신호가 있으면 상기 발진부를 제어하여 상기 가림판이 적외선 센서를 가리지 않도록 압전 액츄에이터를 구동시킨뒤 동작을 정지시키는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 적외선 센서로부터 소정시간 이상 동안 신호가 없으면 상기 발진부의 전원을 오프(Off) 시키는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 모듈.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 액츄에이터는 발진부로부터 소정 크기 이상의 펄스폭을 갖는 구형파가 인가되면 돔 정점에 수직인 방향으로 팽창하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 압전 액츄에이터는 발진부로부터 소정 크기 이상의 펄스폭을 갖는 구형파가 인가되는 경우, 구형파가 상승 및 최대값을 유지하는 구간에서는 돔 정점에 수직인 방향으로 팽창하고, 구형파가 하강하는 구간에서는 원래 형태로 복귀하는 것을 특징으로 하는 하는 적외선 센서 모듈.
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 액츄에이터는 발진부로부터 소정 크기 이하의 펄스폭을 갖는 구형파가 인가되면 돔 정점에 수직인 방향으로 수축하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 압전 액츄에이터는 발진부로부터 소정 크기 이하의 펄스폭을 갖는 구형파가 인가되는 경우, 구형파가 상승 및 최대값을 유지하는 구간에서는 돔 정점에 수직인 방향으로 수축하고, 구형파가 하강하는 구간에서는 원래 형태로 복귀하는 것을 특징으로 하는 하는 적외선 센서 모듈.
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