KR101200751B1 - 압력 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체를 이용하여 압력을 측정하는 센서에 관한 것이다. 본 압력 센서는 상면에 스트레인 게이지가 부착되는 다이어프램, 상기 다이어프램의 하면에서 하향으로 연장되고 상하방향으로 통공이 형성되는 실린더 부재, 상기 다이어프램의 하면과 맞닿도록 상기 통공에 배치되는 유체부, 그리고 상기 유체부의 하단과 맞닿도록 상기 통공에 삽입되는 하중전달부 및 상기 하중전달부와 연결되고 하단을 통해 하중을 입력받는 하중입력부를 구비하는 피스톤 부재를 포함하고, 상기 유체부는 상기 다이어프램의 하면, 상기 통공의 내측 둘레 및 상기 하중전달부의 상단에 맞닿는 탄성 재질의 밀폐주머니, 그리고 상기 밀폐주머니의 내부에 채워지는 유체를 포함한다. 본 발명에 의하면, 본 압력 센서를 작은 규모로 하더라도 큰 하중을 계측할 수 있고, 불균형한 힘과 충격 등도 안정적으로 전달받아 압력을 측정할 수 있으며, 본 압력 센서 자체가 파괴되지 않는 한도 내에서 다이어프램의 재질 및 두께를 바꿔줌으로써 매우 높은 무게까지 측정할 수 있다. 또한 파손 시에는 밀폐주머니와 내부에 담긴 유체만 교체하면 되므로 유지보수가 용이하다.

Description

압력 센서{Pressure sensor}

본 발명은 유체를 이용하여 압력을 측정하는 센서에 관한 것이다.

종래에 압력을 측정하는 센서로는 로드셀(Load Cell), FSR(Force Sensing Resistors), 압전 소자(piezoelectric element) 등이 있다.

로드셀은 정밀하게 정형화된 부재에 스트레인 게이지(Strain Gage)를 부착하여 특정부위의 변형으로부터 무게나 힘을 측정하는 기구이다. 여기서, 스트레인 게이지는 일종의 저항으로 이를테면 매우 가는 금속선을 측정방향으로 여러 번 왕복시켜 길이가 늘어날수록 단면적이 줄어들고 저항이 늘어나는 성질을 이용한 변형률 측정 장치이다. 기본적으로 부재에 길이 방향으로 스트레인 게이지를 부착하여 저항의 미세한 변화량을 측정하는 인장-압축형 로드셀, 압축되는 부위와 인장되는 부위를 갖는 구조를 만들어 각각의 부위에 스트레인 게이지를 부착하여 휘트스톤 브리지 회로를 구성하는 굽힘형/전단형 로드셀 등이 있다.

이 중 인장-압축형 로드셀은 하중을 측정할 때에 오차가 큰 문제점이 있다. 또한 굽힘형/전단형 로드셀은 측정무게에 비하여 하드웨어의 사이즈가 큰 단점이 있다. 특히 로봇의 발 등에 로드셀이 사용될 때에는 한 점에 힘이 집중될 수 있어 발의 각 부위마다 충분한 힘을 측정할 수 있어야 하는데, 굽힘형/전단형 로드셀은 작은 크기로는 집중되는 힘(이를테면 2000N)을 측정할 수 없어 각 부위를 따로 측정하기 어려운 문제가 있다.

또한 FSR(Force Sensing Resistors)은 압력이 커질 때 저항이 감소하는 성질을 갖는 압력 센서이다. 양 전극이 엇갈려 있는 첫 번째 층 위에 빈 공간을 만드는 두 번째 층이 있고 저항성 물질로 된 세 번째 층이 있어, 압력이 가해지면 세 번째 층이 첫 번째 층과 만나 전기가 통하기 시작하고, 압력이 증가될수록 저항물질이 닿는 면적이 커지면서 전체 저항이 줄어두는 방식이다.

이러한 FSR은 소자 간극에 의해 역치값이 존재하고, 눌리는 부위나 형상 등에 따라 압력 측정에 차이가 발생하기도 해 재현성이 떨어지며, 큰 힘의 경우에는 측정 정밀도가 현저히 떨어지는 문제점이 있다. 보통 10kg 정도가 가용한 한계이다. 또한 얇은 필름 형태의 구조는 적용 가능한 부위를 다양하게 하기는 하지만, 찢어지기 쉽다는 단점이 있다.

그리고 압전 소자(piezoelectric element)는 특별한 결정판에 압력을 가하면 힘이 전기로 변해 양면 사이에 전위차가 발생하는 성질을 이용한 압력 센서이며, 판 하나당 기전력은 작기 때문에 여러 개의 판을 직렬로 연결하여 사용한다.

다만 이러한 압전 소자는 가격이 비싸고 노이즈가 있으며, 동적인 하중변화만을 감지하여 정지 상태로 작용하는 힘은 인지하지 못하는 문제가 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 족형 보행 로봇의 발에 의해 작용되는 힘과 같이 큰 힘을 작은 규모의 장치를 통해 안정적으로 계측할 수 있는 압력 센서를 제공하는 것이다.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 센서는 스트레인 게이지가 부착되는 다이어프램, 상기 다이어프램의 하면에서 하향으로 연장되고 상하방향으로 통공이 형성되는 실린더 부재, 상기 다이어프램의 하면과 맞닿도록 상기 통공에 배치되는 유체부, 그리고 상기 유체부의 하단과 맞닿도록 상기 통공에 삽입되는 하중전달부 및 상기 하중전달부와 연결되고 하단을 통해 하중을 입력받는 하중입력부를 구비하는 피스톤 부재를 포함하고, 상기 유체부는 상기 다이어프램의 하면, 상기 통공의 내측 둘레 및 상기 하중전달부의 상단에 맞닿는 탄성 재질의 밀폐주머니, 그리고 상기 밀폐주머니의 내부에 채워지는 유체를 포함한다.

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상기 유체는 비압축성일 수 있다.

상기 밀폐주머니는 고무 재질일 수 있다.

상기 피스톤 부재의 상기 하중전달부는 상기 하중입력부의 하단에 상기 하중이 입력되기 전에는 상기 실린더 부재의 하단으로부터 미리 설정된 양만큼 하향으로 돌출되고, 상기 하중입력부는 둘레를 따라 수평방향으로 돌출되는 돌기를 포함할 수 있다.

상기 미리 설정된 양은 상기 하중입력부의 하단에 상기 하중이 입력되었을 때 상기 피스톤 부재가 상향으로 이동되는 최대 허용량일 수 있다.

상기 하중전달부는 둘레에 형성되는 핀 삽입 홈, 그리고 상기 실린더 부재의 측면을 관통하여 상기 핀 삽입 홈에 삽입되는 이탈방지 핀을 포함하고, 상기 실린더 부재는 상기 이탈방지 핀이 통과되도록 측면에 형성되는 핀 삽입 홀을 포함할 수 있다.

상기 핀 삽입 홈은 상기 하중입력부의 하단에 상기 하중이 입력되기 전의 상태에서 상하방향의 크기가 상기 이탈방지 핀의 상하방향의 크기보다 미리 설정된 크기만큼 하향으로 크게 형성되고, 상기 미리 설정된 크기는 상기 하중입력부의 하단에 상기 하중이 입력되었을 때 상기 피스톤 부재가 상향으로 이동되는 최대 허용량 이상일 수 있다.

상기 스트레인 게이지는 상기 통공과 상하방향으로 중첩되는 위치에 동일한 크기로 배치될 수 있다.

본 발명의 한 실시예에 따른 압력 센서는 상기 다이어프램과 상기 실린더 부재의 둘레를 감싸는 중공형의 몸체 및 상기 몸체의 상단에 연결되어 상기 다이어프램의 상면을 덮고 상기 다이어프램의 폭보다 작은 홀이 형성되는 커버를 구비하는 하우징을 더 포함할 수 있다.

상기 스트레인 게이지는 상기 홀의 내측에 배치될 수 있다.

상기 홀은 상기 통공과 상하방향으로 중첩되는 위치에 동일한 크기로 형성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 실린더 부재의 내측 통공에 배치된 유체부를 통해 피스톤 부재로부터 다이어프램으로 하중이 전달되도록 함으로써, 본 압력 센서를 작은 규모로 하더라도 큰 하중을 계측할 수 있다. 이를테면 족형 보행 로봇의 발 부분에도 본 압력 센서를 집적할 수 있다.

또한 하중이 기계적 구조를 통해서만 전달되는 것이 아니라 유체 압력을 통해서 균등하게 전달되기 때문에, 불균형한 힘과 충격 등도 안정적으로 전달받아 압력을 측정할 수 있다.

그리고 다이어프램의 변형률을 측정하는 것이기 때문에, 본 압력 센서 자체가 파괴되지 않는 한도 내에서 다이어프램의 재질 및 두께를 바꿔줌으로써 매우 높은 무게까지 측정할 수 있다.

또한 유체를 직접 이용하는 대신 유체가 들어있는 밀폐주머니를 이용하므로, 유체의 손실을 최소화 하면서 유체 자체의 특성이 유지되도록 하였고, 파손 시에는 밀폐주머니와 내부에 담긴 유체만 교체하면 되므로 유지보수가 용이하다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 센서의 단면을 개략적으로 나타낸 입체도이다.
도 2는 스트레인 게이지의 한 실시예를 나타낸 평면도이다.

이하에서 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 센서의 단면을 개략적으로 나타낸 입체도이다. 본 압력 센서(100)에 대한 설명에 있어서 상하방향, 상단, 하단, 상면, 하면, 위쪽, 아래쪽 등과 같은 방향과 관련된 용어는 도면에 나타난 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 센서(100)를 기준으로 한 것이다. 다만 본 압력 센서(100)의 다양한 적용예에 있어서는, 상단이 아래쪽으로 향하거나 상하 방향이 좌우 방향으로 향하게 배치되는 등 하중(200)의 작용 방향 및 이에 따른 압력의 측정 방향에 따라 본 압력 센서(100)는 다양한 방향으로 배치될 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 센서(100)는 다이어프램(1), 실린더 부재(2), 유체부(3), 그리고 피스톤 부재(4)를 포함하며, 하우징(5)을 더 포함할 수 있다.

우선, 다이어프램(1)의 구성을 살핀다.

다이어프램(1)은 후술할 유체부(3)로부터 균등한 압력을 전달받아 상향으로 소정의 탄성적인 변형을 일으키는 부분이다. 다이어프램(1)의 재질이나 두께는 본 압력 센서(100)에 적용되는 부분에 작용하는 하중(200)을 고려하여 발생되는 변형이 과도하거나 너무 작지 않도록 결정함이 바람직하다.

이러한 다이어프램(1)에는 다이어프램(1)이 압력을 받아 일으킨 변형을 측정할 수 있는 스트레인 게이지(11)가 부착된다. 예시적으로 도 1에 나타난 바와 같이, 다이어프램(1)의 상면에 스트레인 게이지(11)가 부착될 수 있다.

도 2는 스트레인 게이지의 한 실시예를 나타낸 평면도이다.

도 2를 참조하여 스트레인 게이지(11)의 구성을 예시적으로 살피면, 스트레인 게이지(11)에는 외곽 부근의 반경방향 스트레인 게이지 두 개와 중심 부근의 원주방향 스트레인 게이지 두 개, 총 네 개의 작은 스트레인 게이지가 설치되어 있어 하나의 스트레인 게이지(11)만으로도 휘트스톤 브리지 구성이 용이할 수 있도록 구성될 수 있다.

다음으로, 실린더 부재(2)의 구성을 살핀다.

도 1을 참조하면, 실린더 부재(2)는 다이어프램(1)의 하면에서 하향으로 연장되고 상하방향으로 통공(21)이 형성된다. 이러한 형상을 통해 실린더 부재(2)는 피스톤 부재(4)로부터 전달되는 하중을 유체부(3)가 받아 다이어프램(1)으로 전달할 때, 유체부(3)의 둘레를 감싸 유체부(3)가 균일한 형상을 유지하도록 할 수 있다.

또한 실린더 부재(2)의 하단은 후술할 피스톤 부재(4)의 하중 입력부(42)가 정해진 이상의 하중(200)을 입력받았을 때 피스톤 부재(4)의 변위가 그 이상으로 발생되지 않도록 지지 또는 제한하여 주는 역할도 할 수 있다.

그리고 하우징(5)의 구성이 포함되지 않은 상태에서는, 실린더 부재(2)의 상단은 다이어프램(1)의 하면 둘레와 고정 연결 또는 일체화되는 것이 바람직하다. 다이어프램(1)의 둘레 부분을 실린더 부재(2)의 상단에 고정하여 둠으로써, 하중(200)이 작용하였을 때 이러한 다이어프램(1)의 툴레 부분에 대하여 상대적으로 다이어프램(1)의 중심 부분에 탄성적인 변형이 발생될 수 있도록 하고 이를 통해 압력을 측정할 수 있도록 하기 위함이다.

다만 하우징(5)의 구성이 본 압력 센서(100)에 더 포함된 상태에서는 다이어프램(1)은 하우징(5)에 고정될 수도 있고 실린더 부재(2)에 고정될 수도 있으며, 하우징(5)이나 실린더 부재(2)에 고정되지 않고 단순히 하우징(5)과 실린더 부재(2) 사이에 끼어 있을 수도 있다.

이때 다이어프램(1)의 상면에 부착되는 스트레인 게이지(11)는 통공(21)과 상하방향으로 중첩되는 위치에 동일한 크기로 배치될 수 있다. 스트레인 게이지(11)는 통공(21) 내에 배치되는 유체부(3)가 작용되는 하중(200)에 따라 다이어프램(1)에 압력을 가해 상향으로 밀어 올릴 때 다이어프램(1)에 발생되는 변형을 측정하는 것이다. 따라서 스트레인 게이지(11)는 다이어프램(1)에 압력이 가해지는 크기인 통공(21)과 동일한 크기로 형성되어 압력이 가해지는 부분인 통공(21)의 부분과 상하방향으로 포개지는 위치에 배치되는 것이 효율적일 수 있다. 참고로, 후술하겠지만 스트레인 게이지(11)는 외곽 쪽의 인장 변형률과 중심 쪽의 인장 변형률을 각각 계측하여 그 차이에 따라 압력을 계산해내는 방식으로 구성될 수 있다.

또한 도 1에 나타난 바와 같이, 실린더 부재(2)는 이탈방지 핀(412)이 통과되도록 측면에 형성되는 핀 삽입 홀(22)을 포함할 수 있다. 이탈방지 핀(412)은 이러한 핀 삽입 홀(22)을 통과하여 피스톤 부재(4)의 하중전달부(41)에 형성되어 있는 핀 삽입 홈(411)에 삽입된다. 즉 실린더 부재(2)에 형성된 핀 삽입 홀(22)에 이탈방지 핀(412)의 중간 부분이 고정되어 있도록 함으로써, 이탈방지 핀(412)의 끝단이 핀 삽입 홈(411)에 삽입되어 있는 하중전달부(41)를 포함하는 피스톤 부재(4)가 이탈되지 않을 수 있다. 이에 대해서는 피스톤 부재(4)의 하중전달부(41)의 구성을 살피면서 다시 후술한다.

다음으로, 유체부(3)의 구성에 대해 살핀다.

도 1을 참조하면, 유체부(3)는 다이어프램(1)의 하면과 맞닿도록 통공(21)에 배치된다. 유체부(3)는 피스톤 부재(4)에서 전달되는 하중(200)을 균등한 압력으로서 다이어프램(1)의 하면에 전달하는 역할을 하므로, 다이어프램(1)의 하면과 맞닿도록 실린더 부재(2) 내부의 통공(21)에 배치된다. 유체부(3)는 실린더 부재(2)에 의해 둘러싸여 있으므로 일정한 형상을 유지하면서 균등한 압력을 다이어프램(1)에 전달할 수 있다.

구체적으로 이러한 유체부(3)는 다이어프램(1)의 하면, 통공(21)의 내측 둘레 및 하중전달부(41)의 상단에 맞닿는 탄성 재질의 밀폐주머니(31), 그리고 밀폐주머니(31)의 내부에 채워지는 유체(32)를 포함할 수 있다.

유체부(3)가 단순히 유체(32)로만 구성될 경우 이를 둘러싸는 다이어프램(1), 실린더 부재(2), 그리고 피스톤 부재(4) 만으로 유체(32)가 새지 않도록 밀폐성을 유지하기는 쉽지 않다. 이에 따라 유체부(3)에는 유체(32)를 밀폐하여 담을 수 있는 밀폐주머니(31)가 포함된다. 밀폐주머니(31)는 피스톤 부재(4)에 작용하는 하중(200)에 따라 미세하게 변하는 유체(32)의 형상에 맞춰 변형될 수 있도록 탄성 재질로 함이 바람직하다. 예를 들어 밀폐주머니(31)는 고무 재질일 수 있다.

그리고 유체(32)는 비압축성일 수 있다. 비압축성의 유체(32)가 사용됨으로써 하중(200)이 보다 정확하게 다이어프램(1)에 전달될 수 있다.

다음으로, 피스톤 부재(4)의 구성에 대해 살핀다.

피스톤 부재(4)는 하중(200)을 입력받아 유체부(3)에 전달하는 부분이다. 도 1을 참조하면, 피스톤 부재(4)는 유체부(3)의 하단과 맞닿도록 통공(21)에 삽입되는 하중전달부(41) 및 하중전달부(41)와 연결되고 하단을 통해 하중(200)을 입력받는 하중입력부(42)를 구비한다.

도 1을 참조하면, 하중전달부(41)는 하중입력부(42)의 하단에 하중(200)이 입력되기 전에는 실린더 부재(2)의 하단으로부터 미리 설정된 양(m)만큼 하향으로 돌출되어 있을 수 있다. 여기서, 미리 설정된 양(m)은 하중입력부(42)의 하단에 하중(200)이 입력되었을 때 피스톤 부재(4)가 상향으로 이동되는 최대 허용량일 수 있다. 그리고 하중입력부(42)는 둘레를 따라 수평방향으로 돌출되는 돌기(421)를 포함할 수 있다.

이때, 최대 허용량이라 함은 본 압력 센서(100)가 측정하고자 하는 압력의 상한에 해당하는 피스톤 부재(4)의 최대 이동 변위량을 의미할 수 있다. 예를 들어 최대 허용량만큼의 이동 변위량이 발생될 수 있는 하중(200)이 하중입력부(42)의 하단에 작용하게 되면, 하중입력부(42)의 돌기(421)가 실린더 부재(2)의 하단에 맞닿게 된다. 또한 최대 허용량 이상의 이동 변위량을 발생시키는 하중(200)이 작용하더라도, 이러한 돌기(421)에 의한 지지를 통해 최대 허용량을 초과하는 이동 변위량에 관한 초과 하중은 유체부(3)에 거의 전달되지 않을 수 있다.

즉 미리 설정된 양만큼 실린더 부재(2)로부터 돌출되는 하중전달부(41)와 이와 연결되고 수평방향으로 돌출되는 돌기(421)를 포함하는 하중연결부(42)의 구성을 통해 과도한 하중(200)이 작용하였을 때 돌기(421)가 실린더 부재(2)의 하단에 지지되도록 함으로써, 다이어프램(1)에 작용되는 압력이 과중해져 다이어프램(1)이 파괴되는 등의 문제를 방지할 수 있으며 본 압력 센서(100)의 안정성을 높일 수 있다.

그리고 도 1에 나타난 바와 같이, 하중전달부(41)는 둘레에 형성되는 핀 삽입 홈(411), 그리고 실린더 부재(2)의 측면을 관통하여 핀 삽입 홈(411)에 삽입되는 이탈방지 핀(412)을 포함할 수 있다.

실린더 부재(2)의 구성에서 앞서 살핀 바와 같이, 예시적으로 이탈방지 핀(412)은 실린더 부재(2)의 측면에 형성되는 핀 삽입 홀(22)을 통과하여 하중전달부(41)의 둘레 중 한 곳에 형성되는 핀 삽입 홈(411)에 삽입될 수 있다. 이러한 이탈방지 핀(412)의 실린더 부재(2)의 측면을 관통하는 하중전달부(41)에의 삽입을 통해 피스톤 부재(4)가 실린더 부재(2)의 통공으로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있다.

이때 도 1을 참조하면, 핀 삽입 홈(411)은 하중입력부(42)의 하단에 하중(200)이 입력되기 전의 상태에서 상하방향의 크기가 이탈방지 핀(22)의 상하방향의 크기보다 미리 설정된 크기(n)만큼 하향으로 크게 형성될 수 있다. 여기서, 미리 설정된 크기(n)는 하중입력부(42)의 하단에 하중(200)이 입력되었을 때 피스톤 부재(4)가 상향으로 이동되는 최대 허용량 이상일 수 있다.

핀 삽입 홈(411)에 이탈방지 핀(22)이 꼭 맞게 삽입된다면, 피스톤 부재(4)가 작용하는 하중(200)에 따라 상향으로 이동될 수 없게 되거나 이탈방지 핀(22)에 전단력이 작용하여 이탈방지 핀(22)이 손상될 우려가 있다. 즉 이탈방지 핀(22)은 피스톤 부재(4)가 실린더 부재(2)에 일부가 삽입된 상태를 유지하도록 하기 위한 구성이므로, 이탈방지 핀(22)에는 하중(200)이 작용하지 않는 것이 바람직하다.

앞서 살핀 바와 같이 하중전달부(41)는 실린더 부재(2)의 하단으로부터 미리 설정된 양(m)만큼 하향으로 돌출될 수 있으며, 그 돌출된 양은 피스톤 부재(4)가 상향으로 이동될 수 있는 최대 허용량이다. 이에 따라 이탈방지 핀(22)에 하중(200)이 작용되지 않도록 하려면, 이탈방지 핀(22)의 상하방향의 크기보다 핀 삽입 홈(411)의 상하방향의 크기가 피스톤 부재(4)가 상향으로 이동될 수 있는 최대 허용량 이상으로 크게 형성되도록 함이 바람직하다. 즉 미리 설정된 크기(n)는 앞서 살핀 미리 설정된 양(m)보다 크거나 같을 수 있다.

다음으로, 하우징(5)의 구성에 대해 살핀다.

도 1을 참조하면, 하우징(5)은 다이어프램(1)과 실린더 부재(2)의 둘레를 감싸는 중공형의 몸체(51) 및 몸체(51)의 상단에 연결되어 다이어프램(1)의 상면을 덮고 다이어프램(1)의 폭보다 작은 홀(521)이 형성되는 커버(52)를 구비할 수 있다.

작용하는 하중(200)에 대하여 다이어프램(1)과 실린더 부재(2) 간의 연결의 안정성이 확보될 수 있다면, 본 압력 센서(100)는 하우징(5)의 구성을 포함하지 않을 수도 있다. 다시 말해 하우징(5)의 구성이 없더라도 작용하는 하중(200)에 대해 다이어프램(1)이 실린더 부재(2)로부터 떨어져 나가지 않을 수 있다면 하우징(5)의 구성은 제외될 수도 있다. 다만 이 경우, 다이어프램(1)의 상면에 부착되는 스트레인 게이지(11)를 외부의 간섭으로부터 보호할 수 있는 별도의 구성이 필요하게 될 수 있다.

그러나 족형 보행 로봇의 발 부분에 본 압력 센서(100)가 설치되는 경우와 같이, 작용하는 하중(200)은 소형으로 구비될 수 있는 본 압력 센서(100)에 비해 매우 큰 경우가 많다. 다시 말해 본 발명은 이러한 큰 하중(200)에 대해 상대적으로 소형이면서도 안정적인 압력 센서를 제공하고자 하는 목적을 가진다. 따라서 하우징(5)의 구성은 본 압력 센서(100)의 구조적 안정성을 확보하기 위하여 본 압력 센서(100)에 더 포함될 수 있다. 또한 후술하겠지만 이러한 하우징(5)의 구성을 통해 스트레인 게이지(11)가 보호되는 효과도 있다.

즉 스트레인 게이지(11)는 하우징(5)의 커버(52)의 홀(521)의 내측에 배치될 수 있다. 예시적으로 도 1을 참조하면, 다이어프램(1)의 폭보다 작게 형성된 홀(521)의 내측에 스트레인 게이지(11)가 배치되어 있다. 이처럼 홀(521)의 내측에 배치됨으로써 본 압력 센서(100)의 상단이 압력을 측정하고자 하는 대상의 하단에 부착되었을 때 스트레인 게이지(11)가 압력을 측정하고자 하는 대상의 하단에 간섭 받지 않을 수 있어, 스트레인 게이지(11)의 손상이 방지될 수 있고 정확한 압력 측정이 가능해질 수 있다.

또한 도 1에 나타난 바와 같이, 이러한 홀(521)은 통공(21)과 상하방향으로 중첩되는 위치에 동일한 크기로 형성될 수 있다. 통공(21)에는 통공(21)을 가득 메우는 크기의 유체부(3)가 배치될 수 있다. 이러한 유체부(3)에 피스톤 부재(4)를 통해 하중(200)이 전달되면 다이어프램(1)에는 통공(21)의 크기만큼의 면적에 압력이 작용하게 된다. 이러한 압력에 대해 스트레인 게이지(11)가 외곽 변형량 및 중심 변형량을 계측하여 압력을 산정하기 위해서는 홀(521)이 통공(21)과 같은 크기와 상하방향에 대해 같은 위치에 형성되도록 하여 이러한 홀(521) 내부에 스트레인 게이지(11)가 배치되도록 할 수 있다.

다만 반드시 홀(521)과 통공(21)이 동일한 크기 및 위치여야 하는 것은 아니며, 홀(521)은 통공(21)보다 크게 형성되고 스트레인 게이지(11)도 통공(21)보다 크게 홀(521)의 내부에 배치될 수도 있다.

이하에서는 본 압력 센서(100)의 작용 및 효과를 설명한다.

본 압력 센서(100)를 통한 압력 측정 메커니즘을 살피면, 소정의 하중(200)으로 피스톤 부재(4)의 하중입력부(42)의 하단을 누르면 하중(200)이 하중입력부(42)에서 하중전달부(41), 그리고 유체부(3)로 전달된다. 유체부(3)에 전달된 하중(200)은 실린더 부재(2)의 통공(21)에 배치된 유체부(3)의 밀폐주머니(31) 내부의 유체(32)를 압축하여 압력을 발생시킨다. 이때 발생된 압력은 실린더 부재(2)에 고정된 다이어프램(1)을 상향으로 누른다. 압력을 받은 다이어프램(1)은 위쪽으로 볼록하게 미세 변형을 하게 되고, 이러한 변형을 다이어프램(1)의 상면에 부착된 스트레인 게이지(11)가 계측한다. 예시적으로 도 2에 나타난 바와 같은 스트레인 게이지(11)의 경우 중심측과 둘레측의 변형률을 계측하여 양측의 인장률의 차이를 통해 다이어프램(1)에 가해지는 압력을 출력할 수 있다.

이와 같이 실린더 부재(2)로 둘러싸인 유체부(3)를 통해 피스톤 부재(4)로부터 다이어프램(1)으로 하중(200)이 전달되도록 하는 구조를 가짐으로써, 본 압력 센서(100)를 작은 규모로 하더라도 큰 단축방향의 하중(200)을 계측할 수 있다. 이를테면 족형 보행 로봇의 발 부분에도 본 압력 센서(100)를 집적할 수 있다.

또한 하중(200)이 기계적 구조를 통해서만 전달되는 것이 아니라 유체(32)의 압력을 통해서 균등하게 다이어프램(1)으로 전달되기 때문에, 불균형한 힘과 충격 등도 안정적으로 전달받아 압력을 측정할 수 있다. 그리고 유체(32)가 비압축성에 가깝고 다이어프램(1)의 변형도 매우 미세하므로, 피스톤 부재(4)가 밀리는 유격이 거의 없다.

또한 다이어프램(1)의 변형률을 측정하는 것이기 때문에, 본 압력 센서(100) 자체가 파괴되지 않는 한도 내에서 다이어프램(1)의 재질 및 두께를 바꿔줌으로써 매우 높은 무게까지 측정할 수 있다. 또한 스트레인 게이지(11)를 휘트스톤 브리지로 구성해 줌으로써, 선형성을 확보할 수 있으며 온도에 의한 출력의 변화도 현저히 줄어든다.

그리고 유체(32)를 직접 이용하는 대신 유체(32)가 들어있는 밀폐주머니(31)를 이용하므로, 유체(32)의 손실을 최소화 하면서 유체(32) 자체의 특성이 유지되도록 하였고, 파손 시에는 밀폐주머니(31)와 내부에 담긴 유체(32)만 교체하면 되므로 유지보수가 용이하다.

이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.

100. 압력 센서
1. 다이어프램 11. 스트레인 게이지
2. 실린더 부재 21. 통공
22. 핀 삽입 홀 3. 유체부
31. 밀폐주머니 32. 유체
4. 피스톤 부재 41. 하중전달부
411. 핀 삽입 홈 412. 이탈방지 핀
42. 하중입력부 421. 돌기
5. 하우징 51. 몸체
52. 커버 521. 홀
200. 하중

Claims (12)

1. 스트레인 게이지가 부착되는 다이어프램,
   상기 다이어프램의 하면에서 하향으로 연장되고 상하방향으로 통공이 형성되는 실린더 부재,
   상기 다이어프램의 하면과 맞닿도록 상기 통공에 배치되는 유체부, 그리고
   상기 유체부의 하단과 맞닿도록 상기 통공에 삽입되는 하중전달부 및 상기 하중전달부와 연결되고 하단을 통해 하중을 입력받는 하중입력부를 구비하는 피스톤 부재를 포함하고,
   상기 유체부는
   상기 다이어프램의 하면, 상기 통공의 내측 둘레 및 상기 하중전달부의 상단에 맞닿는 탄성 재질의 밀폐주머니, 그리고
   상기 밀폐주머니의 내부에 채워지는 유체를 포함하는 압력 센서.
2. 삭제
3. 제1항에서,
   상기 유체는 비압축성인 압력 센서.
4. 제1항에서,
   상기 밀폐주머니는 고무 재질인 압력 센서.
5. 제1항에서,
   상기 피스톤 부재의 상기 하중전달부는 상기 하중입력부의 하단에 상기 하중이 입력되기 전에는 상기 실린더 부재의 하단으로부터 미리 설정된 양만큼 하향으로 돌출되고,
   상기 하중입력부는 둘레를 따라 수평방향으로 돌출되는 돌기를 포함하는 압력 센서.
6. 제5항에서,
   상기 미리 설정된 양은 상기 하중입력부의 하단에 상기 하중이 입력되었을 때 상기 피스톤 부재가 상향으로 이동되는 최대 허용량인 압력 센서.
7. 제1항에서,
   상기 하중전달부는
   둘레에 형성되는 핀 삽입 홈, 그리고
   상기 실린더 부재의 측면을 관통하여 상기 핀 삽입 홈에 삽입되는 이탈방지 핀
   을 포함하고,
   상기 실린더 부재는 상기 이탈방지 핀이 통과되도록 측면에 형성되는 핀 삽입 홀을 포함하는 압력 센서.
8. 제7항에서,
   상기 핀 삽입 홈은 상기 하중입력부의 하단에 상기 하중이 입력되기 전의 상태에서 상하방향의 크기가 상기 이탈방지 핀의 상하방향의 크기보다 미리 설정된 크기만큼 하향으로 크게 형성되고,
   상기 미리 설정된 크기는 상기 하중입력부의 하단에 상기 하중이 입력되었을 때 상기 피스톤 부재가 상향으로 이동되는 최대 허용량 이상인 압력 센서.
9. 제1항에서,
   상기 스트레인 게이지는 상기 통공과 상하방향으로 중첩되는 위치에 동일한 크기로 배치되는 압력 센서.
10. 제1항, 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에서,
    상기 다이어프램과 상기 실린더 부재의 둘레를 감싸는 중공형의 몸체 및 상기 몸체의 상단에 연결되어 상기 다이어프램의 상면을 덮고 상기 다이어프램의 폭보다 작은 홀이 형성되는 커버를 구비하는 하우징을 더 포함하는 압력 센서.
11. 제10항에서,
    상기 스트레인 게이지는 상기 홀의 내측에 배치되는 압력 센서.
12. 제11항에서,
    상기 홀은 상기 통공과 상하방향으로 중첩되는 위치에 동일한 크기로 형성되는 압력 센서.

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