KR101380943B1

KR101380943B1 - 압전센서 모듈

Info

Publication number: KR101380943B1
Application number: KR1020120119297A
Authority: KR
Inventors: 이상용; 오세균; 박종명; 오승준; 권성욱
Original assignee: 주식회사 씨엔플러스
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2014-04-01

Abstract

본 발명에 의하면, 압전센서 모듈이 개시된다. 상기 압전센서 모듈은, 타격을 감지하기 위한 압전센서와, 타격에 대응하여 압전센서로부터 출력된 제1 파장의 출력신호를, 제1 파장보다 길게 연장된 제2 파장의 신호로 출력하기 위한 신호 변환부와, 신호 변환부의 출력신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 AD 변환부와, 디지털 신호를 수신하여 타격에 따른 피크 신호를 검출하기 위한 신호 검출부;를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 의하면, 짧은 순간의 타격을 감지하기에 적합한 압전센서 모듈이 제공될 수 있다.

Description

압전센서 모듈{Piezoelectric sensor module}

본 발명은 압전센서 모듈에 관한 것이다.

압전 효과에 의하면, 압전 세라믹과 같은 압전체에 외부로부터 압력이나 진동과 같은 기계적인 에너지가 가해지면, 압전 세라믹 내에 외력에 따라 증감하는 전하가 생성되며, 생성된 전하를 전기적인 신호의 형태로 포착함으로써, 외부의 압력을 감지할 수 있게 된다.

종래에는 압전체로서 압전 세라믹을 이용하였는데, 압전 세라믹 소자는 취성을 가지고 있어서 타격시 금이 가거나 깨지는 경향이 있어서 짧은 순간에 큰 임펙트가 가해지는 타격을 감지하기에 부적합하다. 따라서 충격이나 타격 등에 응용하기 위해서는 고강도의 필름형 압전소재가 요구된다. 이를 적용해 충격이나 타격을 가하면 짧은 순간에 임펄스 형태로 전기신호가 생성되는데 이런 형태의 신호를 포착하기 위해 샘플링 주파수를 높임으로써, 센서 모듈의 제조비용이 급증하게 된다.

본 발명의 일 실시형태는, 짧은 순간의 타격을 감지하기에 적합한 압전센서 모듈을 제공한다.

상기와 같은 과제 및 그 밖의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 압전센서 모듈은,

타격을 감지하기 위한 압전센서:

타격에 대응하여 압전센서로부터 출력된 제1 파장의 출력신호를, 제1 파장보다 길게 연장된 제2 파장의 신호로 출력하기 위한 신호 변환부;

상기 신호 변환부의 출력신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 AD 변환부; 및

상기 디지털 신호를 수신하여 타격에 따른 피크 신호를 검출하기 위한 신호 검출부;를 포함한다.

예를 들어, 상기 압전센서는,

압전종이; 및

상기 압전종이의 면 방향을 따라 일단부와 타단부에 형성된 제1, 제2 전극부;를 포함한다.

예를 들어, 상기 압전센서 모듈은, 상기 압전종이의 양면 상에 형성된 절연보호층을 더 포함한다.

예를 들어, 상기 절연보호층은, 상기 제1, 제2 전극부가 접속되는 일단부와 타단부를 제외한 압전종이의 양면을 덮도록 형성된다.

예를 들어, 상기 절연보호층은, 상기 압전종이의 양면에 코팅된 고탄성 소재로 형성된다. 이때 고탄성 소재는 열가소성 폴리우레탄(TPU) 또는 기능성 플라스틱 소재 등을 사용하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 상기 신호 변환부는,

압전센서의 출력신호를 정류하기 위한 정류부;

정류된 신호를 충전 및 유지하기 위한 커패시터; 및

상기 정류부와 커패시터 사이에 연결된 버퍼;를 포함한다. 이때 버퍼는 후단 회로의 상대적으로 낮은 임피던스에 의한 부하효과로 신호전압 하강을 방지하기 위한 것이다. 이때 버퍼는 전압 폴로워(Voltage Follower)로 구성하는 것이 바람직 하다.

예를 들어, 상기 압전센서 모듈은,

상기 신호 변환부의 출력신호를 초기화시키기 위한 신호 소거부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 상기 신호 소거부는,

스위칭 신호에 따라 상기 신호 변환부의 커패시터의 방전 경로를 개폐하는 스위치 소자; 및

상기 스위치 소자와 전기적으로 연결된 저항 소자;를 포함한다.

예를 들어, 피크 신호를 검출한 신호 검출부의 출력신호에 근거하여, 상기 커패시터의 방전 경로를 개방하기 위한 스위칭 신호가 생성된다. 이때 타격용 게임기 또는 타격미트 등 한번의 신호발생 후 다음 신호 발생시까지 시간이 충분하다면 신호 소거부는 생략할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 압전센서 모듈은,

가압을 감지하기 위한 압전센서:

상기 압전센서의 출력신호를, 디지털 신호로 변환하기 위한 AD 변환부; 및

상기 디지털 신호를 수신하여 가압에 따른 피크 신호를 검출하기 위한 신호 검출부;를 포함하고,

상기 압전센서는,

압전종이;

상기 압전종이의 서로 반대되는 제1, 제2 면을 덮도록 형성된 제1, 제2 전극부; 및

상기 제1, 제2 전극부 상에 형성된 제1, 제2 절연보호층;을 포함한다.

예를 들어, 상기 절연보호층은, 상기 제1, 제2 전극부 상에 코팅된 기능성 플라스틱 소재 또는 열가소성 폴리우레탄 소재로 형성된다.

예를 들어, 상기 압전센서는 사람의 족압 또는 타격을 감지하고,

상기 신호 검출부의 출력 측에는, 족압에 대응하는 피크 신호를 동작개시신호로 하는 오디오 재생기 또는 LED 발광부를 연결할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1, 제2 절연보호층 상에는, 보행충격을 완화할 수 있는 제1, 제2 패드층이 형성된다.

예를 들어, 상기 제1, 제2 패드층은, 상기 제1, 제2 절연보호층보다는 연성의 고무 소재로 형성된다.

예를 들어, 상기 제1, 제2 패드층은, 상기 제1, 제2 절연보호층보다 두껍게 형성된다.

본 발명에 일 실시형태에 의하면, 짧은 시간 동안 임펙트 형태로 가해지는 타격을 포착할 수 있는 압전센서 모듈을 제공한다. 특히 본 발명에 의하면, 짧은 파장의 고주파 신호를 저주파 신호로 변환시킴으로써, 샘플링 주파수를 높이지 않고도 누락없이 임펙트 순간 신호의 최대값 크기를 포착할 수 있는 압전센서 모듈을 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 압전센서 모듈의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 압전센서의 사시도이다.
도 3은 도 2의 III-III 선을 따라 취한 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 압전센서의 변형을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 신호 변환부의 구성을 보여주는 도면이다.
도 6은 압전센서의 출력 파형을 보여주는 도면이다.
도 7은 정류부의 출력 파형을 보여주는 도면이다.
도 8 및 도 9는 신호 변환부의 출력 파형을 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 적용될 수 있는 신호 소거부를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 타격 신호의 검출을 위한 신호 검출부의 동작을 개략적으로 도시한 플로우 차트이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 압전센서 모듈의 구성을 보여주는 도면이다.
도 13은 도 12에 도시된 압전센서의 사시도이다.
도 14는 도 13의 XIV-XIV 선을 따라 취한 단면도이다.
도 15는 도 14에 도시된 압전센서의 변형을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시형태에 적용될 수 있는 압전센서를 도시한 단면도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 관한 압전센서 모듈에 대해 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 압전센서 모듈의 구성을 보여준다. 도면을 참조하면, 상기 압전센서 모듈은, 타격을 감지하기 위한 압전센서(100)와, 상기 압전센서(100)의 출력 신호를 수신하여 피크 형태의 타격 신호를 포착하기 위한 신호 검출부(130)를 포함하고, 상기 압전센서(100)와 신호 검출부(130) 사이에 연결되며, 높은 주파수 성분의 입력신호(고주파 신호 S1)를, 낮은 주파수의 출력 신호(저주파 신호 S2)로 변환하기 위한 신호 변환부(110)를 포함한다.

도 2에는 도 1에 도시된 압전센서(100)의 사시도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 III-III 선을 따라 취한 단면도가 도시되어 있다. 도면들을 참조하면, 상기 압전센서(100)는, 압전종이(105)와, 상기 압전종이(105)의 면 방향을 따라 일단부와 타단부에 형성된 제1, 제2 전극부(101,102)를 포함할 수 있다.

상기 압전종이(105)는, 셀룰로오스 나노 파이버를 일정한 방향으로 배열시켜 제조하는 것으로, 셀룰로오스 펄프를 용해한 용액을 스핀 코팅하여 원심력에 의해 배열하거나, 압출에 의하여 배열하거나, 높은 전기장을 가해 전기적 분극에 의하여 배열하는 과정을 거쳐 제조하게 된다.

종래의 압전 세라믹은, 세라믹 소재의 특성상 취성 파괴에 취약하여 내구성이 떨어지는 단점이 있고, 특히 짧은 시간 동안 큰 충격이 가해지는 타격용 압전구조로는 적합하지 않다. 또한, 본 발명에 사용하는 압전종이는 종래 필름형 압전소자(PVDF, polyvinyl defluoride) 보다 압전성이 좋을 뿐만 아니라, 열적 특성이 상대적으로 강하여 적층 및 타재질 코팅 등의 후가공이 용이하고, 제조시 또는 폐기시에도 환경오염 물질을 배출하지 않아 환경이 오염되는 것을 방지할 수 있고, 가격이 저렴하여 제조비용을 절감할 수 있으며, 유연성이 좋아 외부의 충격에 쉽게 파손되지 않게 된다.

상기 제1, 제2 전극부(101,102)는, 압전종이(105)의 면 방향을 따라 일단부와 타단부에 각각 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1, 제2 전극부(101,102)는 압전종이(105)의 길이 방향을 따라, 그러니까 압전종이(105)의 가장 긴 종장을 따라 일단부와 타단부에 각각 형성될 수 있다. 상기 제1, 제2 전극부(101,102)는, 전기적으로 전도성을 갖는 금속소재나, TCO(Transparent Conductive Oxide)와 같은 도전성 산화물로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1, 제2 전극부(101,102)는, 금, 은, 구리, 알루미늄과 같은 금속소재의 박판으로 형성될 수 있으며, 압전종이(105)의 가장자리에 도포된 코팅층으로 형성되거나, 또는 금, 은, 구리, 알루미늄과 같은 금속소재의 테이프 또는 금속 분말을 함유한 전도성 테이프를 압전종이(105)의 가장자리 또는 상하부에 부착하여 형성될 수 있다.

도 4는 소정의 타격에 반응하는 압전종이의 변형을 개략적으로 도시한 도면이다. 도면을 참조하면, 압전종이(105)의 두께방향을 따라 가해지는 타격 압력(P)에 의해 상기 압전종이(105)는 면 방향을 따라 굽힘 변형이 발생되며, 이에 따라 압전종이(105)의 일단부와 타단부 사이에서는 인장 압력이 걸리며 소정의 전압차이가 형성된다. 그리고, 제1, 제2 전극부(101,102) 간의 전압을 측정함으로써, 타격 여부를 확인할 수 있다. 이때, 상기 제1, 제2 전극부(101,102) 사이에는 상대적으로 높고, 짧은 파장(높은 주파수)을 갖는 피크 전압신호(고주파 신호 S1, 도 1 참조)가 발생될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1, 제2 전극부(101,102)는 압전종이(105)의 일단부와 타단부 간의 전압을 측정하게 되므로, 압전종이(105)의 면 방향 또는 길이 방향을 따라 생성된 많은 양의 전하량으로부터 짧은 순간에 높은 전압이 측정될 수 있다.

예를 들어, 상기 제1, 제2 전극부(101,102) 간의 측정전압은 대략 10msec의 짧은 파장(높은 주파수)을 가질 수 있으며, 이렇게 높은 주파수의 신호를 원활하게 포착해내기 위해서는, 적어도 측정신호보다는 2배 이상 높은 샘플링 주파수로 양자화될 것이 요구된다. 예를 들어, 높은 주파수의 측정전압이, 낮은 샘플링 주파수의 디지털 신호로 변환된다면, 피크 순간을 포착하기 어렵게 된다는 것이다.

본 발명의 일 실시형태는, 압전센서(100)의 가압순간에 발생되는 높은 주파수의 피크 전압을, 누락없이 포착해내기 위해, 높은 주파수의 측정전압(고주파 신호 S1)을, 이보다 낮은 저주파수의 신호(저주파 신호 S2)로 변환하기 위한 신호 변환부(110)를 포함한다. 즉, 높은 주파수의 측정신호를 포착해내기 위해, 샘플링 주파수를 2배 이상 높이는 대신에, 높은 주파수의 측정신호(S1)를 낮은 주파수의 측정신호(S2)로 변환하여, 샘플링 주파수를 높이지 않고도 타격의 피크 신호를 포착할 수 있다는 것이다. 만일, 높은 주파수의 측정신호를 포착하기 위해 샘플링 주파수를 높인다면, 예를 들어, 초당 십억개 이상의 샘플링을 수행하는 고가의 CPU 내지는 AD 변환기가 요구되므로, 전체 압전센서의 원가가 상승하게 된다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 압전종이(105)는 타격 압력(P)에 따라 굽힘 변형을 보일 수 있다. 도 3 및 후술하는 바와 같이, 상기 압전종이(105)의 양편으로는 절연보호층(103)이 형성될 수 있는데, 굽힘 변형으로부터 출력되는 출력신호를 증폭하기 위하여, 상기 절연보호층(103)은 유연하되 다소 경성을 띠는 소재로 형성될 수 있다. 이렇게 짧은 시간 동안 임펄스 형태로 압전종이(105)를 타격하는 경우와 대비적으로, 도 15에 도시된 바와 같이, 압전종이(205)를 눌려주는 형태의 가압 압력(P)에 반응하여 두께방향으로 압축 변형되는 경우에는, 뾰족하지 않고 완만한 형태의 변형이 형성될 수 있고, 이에 따라, 완만한 형태의 저주파 출력신호가 얻어질 수 있다. 이때의 절연보호층(203a,203b)은 충분한 탄성을 갖되, 도 4의 타격 센서용 절연보호층(103) 보다는 다소 유연한 소재로 형성될 수 있다.

도 5에는 본 발명의 일 실시형태에 적용될 수 있는 신호 변환부가 도시되어 있다. 상기 신호 변환부(110)는, 높은 주파수의 측정신호(S1)를 낮은 샘플링 주파수로 포착하기 위한 것이다. 즉, 상기 신호 변환부(110)는, 상대적으로 높은 주파수의 입력신호(S1)를 낮은 주파수의 출력신호(S2)로 변환함으로써, 결과적으로 높은 주파수의 가압신호를 낮은 샘플링 주파수로도 포착할 수 있도록 한다.

보다 구체적으로, 상기 신호 변환부(110)는, 교류 파형의 입력신호를 직류 파형으로 변환하기 위한 정류부(111)와, 정류된 신호를 충전 및 유지하여 저주파수의 출력신호를 생성하기 위한 커패시터(C1)와, 정류부(111)와 커패시터(C1) 사이에 연결되어 버퍼링을 수행하는 버퍼(112)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 버퍼(112)는 후단 회로의 상대적으로 낮은 임피던스에 의한 부하효과로 신호전압 강하를 방지하기 위한 것으로, 전압 폴로워(voltage follower)로 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 버퍼(112)는 정류부(111)의 출력신호를 비반전 입력단자(+)의 입력으로 하고, 반전 입력단자(-)를 통하여 피드백이 제공되는 연산 증폭기(OP 앰프)를 포함할 수 있다.

상기 버퍼(112)의 출력단자와 커패시터(C1) 사이에는 전류의 흐름을 제어하기 위한 다이오드(113)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 다이오드(113)는, 커패시터(C1)의 충전 방향을 순방향으로 하고, 커패시터(C1)의 방전 방향을 역방향으로 갖도록 배치될 수 있다. 상기 커패시터(C1)의 방전 경로 상에는 저항 소자(R2)가 배치될 수 있으며, 상기 저항 소자(R2)는 커패시터(C1)에 충전된 전하량을 소진함으로써, 차후의 타격에 대응하는 피크 신호를 검출할 수 있도록 커패시터(C1)를 초기화시킬 수 있다. 한편, 상기 정류부(111)는 전파 정류를 수행하기 위한 풀 브릿지 회로를 포함할 수 있다. 상기 정류부(111)의 저항 소자(R1)는, 압전종이(105)의 내부저항이 상당히 크다는 점을 고려하고, 또한, 입력 임피던스를 높이기 위해 대략 10MΩ 이상의 전기 저항을 가질 수 있다.

도 6에는 압전센서(100)의 출력신호가 도시되어 있다. 상기 압전센서(100)는 압전종이(105)의 양단에 접속된 제1, 제2 전극부(101,102) 간의 전압신호를 출력할 수 있다. 이때, 압전종이(105)의 양단에 접속된 제1, 제2 전극부(101,102) 사이에서는, 가압순간으로부터 원상태로 회복되는 동안에 정극성과 역극성이 교번되는 진동형태의 전압 파형(고주파 신호 S1)이 출력될 수 있다. 도 7에는 정류부(111)의 출력신호가 도시되어 있다. 도면에서 볼 수 있듯이, 압전센서(100)로부터 출력된 교류 파형의 신호는 정류부(111)를 통하여 전파 정류된 신호(Sa)로 출력될 수 있다.

도 8 및 도 9에는 커패시터(C1) 양단 간의 신호(신호 변환부 110의 출력신호)가 도시되어 있다. 도 8 및 도 9는 시간 축(수평 축)의 스케일을 서로 달리하여 도시한 도면이다. 도면에서 볼 수 있듯이, 전파 정류된 신호는 커패시터(C1)를 통하여 저주파수의 신호(S2)로 출력될 수 있다. 도 6에 도시된 압전센서의 출력신호(S1)와 비교할 때, 가압순간을 나타내는 제1 파장(W1)의 고주파 피크 신호(S1)는 신호 변환부(110)를 통하여 적어도 제1 파장(W1)보다 길게 연장된 제2 파장(W2)의 저주파 신호(S2)로 변환될 수 있으며, 피크 순간으로부터 서서히 감쇄하는 형태의 파형으로 변환됨으로써, 낮은 주파수의 샘플링을 통해서도 피크 신호의 존재 여부를 오류없이 포착해낼 수 있게 된다. 본 명세서를 통하여, 압전센서(100)로부터 출력되는 제1 파장(W1)의 고주파 신호(S1)를, 제1 파장(W1)보다 길게 연장된 제2 파장(W2)의 저주파 신호(S2)로 출력한다고 할 때, 상기 제2 파장(W2)의 저주파 신호(S2)란, 짧은 시간 동안에는 거의 일정하게 유지되는 정전압 형태의 신호로 포착될 수 있다(도 8 참조). 피크 순간으로부터 서서히 감쇄되는 형태의 신호는, 적어도 상기 제1 파장(W1)보다는 길게 연장된 제2 파장(W2)을 갖는 신호에 해당될 수 있다.

도 10은 본 발명의 다른 실시형태에서 적용될 수 있는 신호 소거부(115)를 설명하기 위한 도면이다. 도면을 참조하면, 신호 변환부(110)의 출력 측에는 신호 변환부(110)의 출력신호를 초기화시키기 위한 신호 소거부(115)가 배치된다. 상기 신호 소거부(115)는, 신호 변환부(110)의 커패시터(C1)와 전기적으로 연결되어, 커패시터(C1)에 충전된 전하를 소거하기 위한 방전 경로를 제공할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 신호 소거부(115)는 스위칭 신호(SW INPUT)에 따라 방전 경로를 개폐하기 위한 스위치 소자(SW)와, 상기 스위치 소자(SW)와 직렬로 연결된 저항 소자(R3)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 스위치 소자(SW)는, BJT(bipolar juction transistor), FET(field effect transistor) 등의 다양한 트랜지스터로 구현될 수 있다.

예를 들어, 상기 신호 소거부(115)는, 커패시터(C1) 양단의 출력신호가 AD 변환기(120)를 통하여 디지털 신호로 변환된 이후에, 그러니까 샘플링이 완료되어 커패시터(C1) 양단의 출력신호를 더 이상 유지할 필요가 없게 된 이후에, 스위칭 신호(SW INPUT)에 반응하여 방전 경로를 개방할 수 있으며, 저항 소자(R3)를 통하여 커패시터(C1)의 전하를 소진시킴으로써 신호 변환부(110)를 초기화시킬 수 있으며, 초기화된 신호 변환부(110)를 통하여 이후의 가압신호에 대해 상술한 일련의 신호 처리를 반복할 수 있다.

예를 들어, 상기 스위칭 신호(SW INPUT)는, 타격에 대응하는 피크 신호를 검출한 신호 검출부(130)의 출력신호에 근거하여 생성될 수 있다. 즉, 피크 신호를 검출한 신호 검출부(130)의 출력신호에 따라, 상기 스위칭 신호(SW INPUT)는 온(ON)으로 전환될 수 있으며, 이에 따라, 커패시터(C1)의 방전 경로가 개방되어, 커패시터(C1)가 초기화될 수 있다. 일단 타격을 감지한 후, 추후의 타격 신호에 대비하여 신호 변환부(110 또는 커패시터 C1)를 초기화시키는 것이다.

도 1을 참조하면, 신호 변환부(110)의 출력신호는, AD 변환부(120)로 입력된다. 상기 AD 변환부(120)는, 아날로그 신호를 양자화된 디지털 신호로 변환하게 된다. AD 변환부(120)를 통하여 디지털화된 신호는 신호 검출부(130)로 입력된다. 상기 신호 검출부(130)는, 타격에 대응하는 피크 신호가 존재하는지 여부를 판단한다. 예를 들어, 상기 신호 검출부(130)는, 기준 전압보다 높은 피크 신호를 검출하기 위한 비교기(comparator) 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 비교기 등을 통하여 타격에 대응하는 피크 신호가 존재하는 것으로 판단되면, 비교기의 출력 신호를 개시 신호로 하여, 다양한 응용 모듈의 동작이 이루어지도록 할 수 있으며, 예를 들어, 스포츠 또는 게임 등에서 타격에 대응하는 점수를 표시해줄 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 압전센서(100)는, 압전종이(105)와, 압전종이(105)의 면 방향을 따라 일단부와 타단부에 접속된 제1, 제2 전극부(101,102)를 포함한다. 그리고, 상기 압전센서(100)의 양면에는 절연보호층(103)이 형성된다. 상기 절연보호층(103)은, 외부환경으로부터 압전센서(100)의 내부구성을 보호하고, 전기적으로 절연된 환경을 제공함으로써, 제1, 제2 전극부(101,102)를 통하여 압전종이(105) 내에 축적된 전하를 감지할 수 있도록 한다.

상기 절연보호층(103)은, 기능성 플라스틱 소재로 형성될 수 있는데, 예를 들어, 열가소성 폴리우레탄(TPU, Thermoplastic Polyurethane) 소재로 형성될 수 있다. 상기 절연보호층(103)은 압전종이(105)의 양면에, 제1, 제2 전극부(101,102)의 접속부위를 제외하고, 대부분의 면적을 커버할 수 있다. 상기 절연보호층(103)은 고온에서 유동성을 갖는 기능성 플라스틱 소재의 코팅층으로 형성됨으로써, 절연보호층(103)과 압전종이(105) 사이에는 별도의 점착층이 개재되지 않을 수 있다.

상기 절연보호층(103)은, 압전종이(105)의 타격 이후에 압전종이(105)의 원 형태를 회복하도록 적정의 탄성 회복력을 갖는 소재로 형성될 수 있다. 상기 절연보호층(103)으로는, 고무 소재와 같은 연성소재보다는 소재의 배합을 조절하여 경성을 띠도록 만든 플라스틱 소재가 선호될 수 있다. 예를 들어 이 소재는 일반 종이용 코팅필름과 유사할 수 있다. 이것은 타격 이후에 압전종이(105)가 평편한 판 상의 원형을 회복하려면, 압전종이(105)의 원형을 강제하도록 절연보호층(103)이 경성소재로 형성되는 것이 바람직하며, 고무소재와 같은 연성소재는 다수의 타격 이후에 원래의 형태로 되돌아 오지 않고 주름이 형성될 수 있으며, 주름진 형태의 압전종이(105)는 타격 부위에 따라 서로 다른 전기적인 거동, 예를 들어, 타격 부위의 주름진 형태에 따라 더 많은 전하량이 생성되기도 하고, 더 적은 전하량이 생성되기도 하는 등의 거동의 편차를 보일 수 있기에 바람직하지 않다. 또한, 절연보호층(103)이 타격 에너지를 많이 흡수한다면, 압전종이(105)의 변형이 그만큼 감쇄되므로, 압전종이(105)의 변형에 따른 전하량의 생성이 적어지고 타격 순간을 높은 감도로 포착할 수 없게 된다. 따라서, 상기 절연보호층(103) 소재로는, 에너지 흡수가 상대적으로 적은 경성의 플라스틱 소재가, 에너지 흡수가 상대적으로 많은 연성의 고무소재보다 적합할 수 있다.

도 3에 도시된 압전센서(100 또는 이를 포함하는 압전센서 모듈)는, 타격 압력을 포착하기 위한 타격센서로 적합하게 적용될 수 있다. 상기 압전센서(100)는, 타격에 따라 압전종이(105)의 인장방향으로 변형이 야기되면서 압전종이(105)의 일단부와 타단부 간에 전압차이를 형성하므로(일단부와 타단부에 형성된 제1, 제2 전극부 101, 102 간의 전압차이를 포착), 타격이 아닌 두께방향을 따라 소정의 압력으로 점진적으로 눌러주는 형태의 가압은 포착하기 어렵다. 이에, 상기 압전센서(100)는 스포츠 분야에서 타격의 유무를 판단하기 위한 타격센서로서 적합하게 활용될 수 있다. 보다 구체적으로, 태권도 또는 복싱과 같은 스포츠 분야에서 타격에 따른 득점을 자동으로 산출할 수 있고, 골프 클럽의 헤드 부분에 타격 센서를 부착함으로써, 교습자의 자세를 분석할 수도 있다. 즉, 단순 가압이 아닌 타격에 대해서만 민감하게 반응하는 거동을 고려하여, 타격과 가압을 구분할 필요가 있는 분야에 적합하게 적용될 수 있다.

도 11에는 타격 신호의 검출을 위한 신호 검출부(130)의 동작을 개략적으로 도시한 플로우 차트가 도시되어 있다. 상기 신호 검출부(130)는 타격 신호에 대응하는 피크 신호, 즉, 최대 신호를 검출하기 위한 알고리즘을 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 신호 검출부(130)는 AD 변환부(120)로부터 수신된 입력 신호와 사전에 설정해둔 기준 값을 상호 비교하는데(S10), 입력 신호가 기준 값보다 큰 경우에는 카운트(CNT = 0)를 개시하고(S11), 이때의 입력 신호를 임시적으로 저장한다. 그리고, 임시 저장된 입력 신호와, 그 이후에 연속적으로 입력되는 입력 신호들을 상호 비교함으로써, 최대 값을 검출하게 된다(S12~S14). 예를 들어, 임시로 저장된 이전의 입력 신호가 현재 입력 신호들과 비교해서 상대적으로 큰 것으로 판단될 때 마다 카운트를 증가시키면서(CNT=CNT+1, S13), 일정한 카운트 값(CNT > 5)에 도달하면(S14), 임시로 저장된 입력 신호를 타격에 대응되는 최대 피크 신호로 판단하고, 타격 포착 신호를 응용모듈로 전달하게 된다(S15).

도 12에는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 압전센서 모듈의 구성이 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 상기 압전센서 모듈은, 압전센서(200)와 상기 압전센서(200)의 출력신호를 수신하여 가압신호를 포착하기 위한 신호 검출부(230)를 포함할 수 있다.

도 13은 도 12의 압전센서(200)를 도시한 사시도이다. 도 14은 도 13의 XIV-XIV 선을 따라 취한 단면도이다. 도면들을 참조하면, 상기 압전센서(200)는, 압전종이(205)와, 상기 압전종이(205)의 양편에 형성된 제1, 제2 전극부(201,202)를 포함한다. 상기 제1, 제2 전극부(201,202)는, 압전종이(205)의 서로 다른 제1, 제2 면(A1,A2)에 각각 형성될 수 있다. 상기 제1, 제2 전극부(201,202)는, 압전종이(205)의 두께방향으로 일면(A1)과 타면(A2) 사이의 전압차이를 측정할 수 있다. 예를 들어, 압전종이(205)의 두께방향으로 소정의 압력을 받으면, 상기 제1, 제2 전극부(201,202) 사이에는 두께방향을 따라 축적된 전하량에 따른 전압차이가 형성된다.

도 14에 도시된 압전센서(200)와 비교할 때, 도 3의 압전센서(100)에서는, 압전종이(105)의 면 방향을 따라 일단부와 타단부의 전압차이를 측정하게 되며, 압전종이(105)의 일단부와 타단부 사이에서 상대적으로 많은 양의 전하량이 생성되므로, 순간적으로(짧은 파장) 높은 전압이 측정된다. 이와 달리, 도 14의 압전센서(200)에서는, 압전종이(205)의 두께방향을 따라 일면(A1)과 타면(A2)의 전압차이를 측정하게 되므로, 두께방향을 따라 생성된 상대적으로 적은 양의 전하량을 측정하게 되고, 이에 따라, 상대적으로 긴 파장의 낮은 전압이 측정된다. 즉, 도 14의 압전센서(200)는 가압에 대응하여 긴 파장(낮은 주파수)의 전압신호를 출력하므로, 상대적으로 낮은 주파수의 샘플링으로도 피크 신호를 검출해낼 수 있다. 이에 따라, 도 12에 도시된 압전센서 모듈은, 신호 변환부가 요구되지 않으며, 예를 들어, 압전센서(200)의 출력신호는 곧바로 AD 변환부(220)와, 이어 신호 검출부(230)로 입력될 수 있다. 상기 AD 변환부(220)는, 제1, 제2 전극부(201,202)로부터 출력되는 아날로그 형태의 전압신호를 양자화된 디지털 신호로 변환하며, 상기 신호 검출부(230)는 디지털화된 신호를 입력으로 하여 피크 신호를 검출하기 위한 비교기(comparator) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

도 14에 도시된 바와 같이, 상기 압전종이(205)의 양편으로는 절연보호층(203a,203b)이 형성될 수 있으며, 상기 절연보호층(203a,203b)은 압전종이(205)의 일면(A1)과 타면(A2)에 각각 형성된 제1, 제2 전극부(201,202) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 절연보호층(203a,203b)은, 상기 제1, 제2 전극부(201,202) 상에 각각 형성된 제1, 제2 절연보호층(203a,203b)을 포함할 수 있다. 상기 절연보호층(203a,203b)은 기능성 플라스틱 소재로 형성될 수 있는데, 예를 들어, 상기 절연보호층(203a,203b)은, 열가소성 폴리우레탄(TPU, Thermoplastic Polyurethane) 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 절연보호층(203a,203b)은, 상기 제1, 제2 전극부(201,202) 상에 도포된 코팅층으로 형성될 수 있으며, 이에 따라, 별도의 점착층이 개재되지 않을 수 있다.

상기 절연보호층(203a,203b)은, 압전종이(205)의 가압 이후에 압전종이(205)의 원래 편평한 형태를 회복하도록 적정의 탄성 회복력을 갖는 소재로 형성될 수 있고, 고무 소재와 같은 연성소재보다는 기능성 플라스틱과 같은 경성소재가 선호될 수 있다. 이것은 가압 이후에 압전종이(205)가 편평한 판 상의 원형을 회복하려면, 압전종이(205)의 원형을 강제하도록 절연보호층(203a,203b)이 경성소재로 형성되는 것이 바람직하며, 또한, 가압 에너지의 흡수 정도가 상대적으로 적은 기능성 플라스틱 소재가, 가압 에너지의 흡수 정도가 상대적으로 많은 고무 소재보다는 선호될 수 있다. 즉, 절연보호층(203a,203b)이 가압 에너지를 많이 흡수하면, 절연보호층(203a,203b) 내측에 형성된 압전종이(205)의 변형이 그만큼 감쇄되며 전하량 생성이 감소되므로, 가압 순간을 높은 감도로 포착할 수 없다. 또한, 흡수된 에너지가 절연보호층(203a,203b)의 주름진 변형으로 잔존하면, 가압위치의 변형 상태에 따라 압전종이(205)의 전기적 거동이 다르게 되므로, 가압 순간을 포착하기 어렵기 때문에, 에너지의 흡수가 적은 기능성 플라스틱 소재로 절연보호층(203a,203b)을 형성할 수 있다.

도 15는 도 14에 도시된 압전센서(200)의 변형을 설명하기 위한 도면이다. 도면을 참조하면, 상기 압전센서(200)는, 가압 압력(P)에 반응하여 압전종이(205)의 두께방향으로 압축 변형되고, 제1, 제2 전극부(201,202)를 통하여 압전종이(205)의 두께방향을 따라 일면과 타면 간의 전압차이를 측정하게 된다. 따라서, 상기 압전센서(200)는 두께방향으로 가해지는 소정의 압력(P)에 반응하고, 예를 들어, 상업용 시설의 입구 바닥에 깔려진 발판 매트에 내장되는 형태로 설치됨으로써, 족압을 측정할 수 있는 족압센서로 활용될 수 있다. 예를 들어, 족압을 감지한 압전센서(200)의 출력신호에 따라 고객의 방문을 포착할 수 있고, 압전센서(200)의 출력신호는 오디오 재생기(241, 도 12 참조)의 동작개시신호로 활용됨으로써, 고객의 방문에 맞춰 CM 송이나 고객의 기분전환을 위한 다양한 오디오 파일을 재생해줄 수 있다. 또는 상기 족압을 감지하는 압전센서(200)는, 사람의 통행이 많은 거리 바닥이나 지하철 통로 등에 설치되어 사람의 통행에 맞춰 CM 송을 재생해주는 오디오 형태의 광고로 활용될 수도 있다. 또는 상점의 매대 앞에 설치하여 매대를 찾는 고객의 통행량을 검출하고, 통행량 대비 판매량을 산출하여 마케팅에 활용하기 위한 정보 추출 수단으로 활용할 수 있다.

상기 압전센서(200)는 신발 패드(미도시)에 내장될 수도 있으며, 신발 패드의 앞 부분과 뒷꿈치 부분에 내장되어 족압의 변화를 감지할 수 있다. 예를 들어, 보행동작에 따른 족압의 변화를 감지함으로써, 오디오 재생기(241, 도 12 참조)를 동작시켜주거나 또는 LED 등의 발광소자(LED 발광부 242, 도 12 참조)를 동작시켜줌으로써, 보행동작이나 러닝동작에 연동시킬 수 있다.

도 12를 참조하여, 족압센서로 활용되는 압전센서 모듈에 대해 설명하면, 상기 압전센서 모듈은, 사람의 족압을 감지하기 위한 압전센서(200)와, 상기 압전센서(200)의 출력신호를 수신하여 족압을 감지한 피크 신호를 검출해내기 위한 신호 검출부(230)를 포함하고, 상기 신호 검출부(230)의 출력신호에 따라 동작이 개시되는 오디오 재생기(241) 및/또는 LED 발광부(242)를 포함할 수 있다.

도 16에는 도 15에 도시된 압전센서의 변형예가 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 상기 압전센서(200`)는, 압전종이(205)의 일면과 타면 측에 형성된 제1, 제2 전극부(201,202)와, 상기 제1, 제2 전극부(201,202) 상에 형성된 제1, 제2 절연보호층(203a,203b)과, 상기 제1, 제2 절연보호층(203a,203b) 상에 형성된 제1, 제2 패드층(208)을 포함할 수 있다. 상기 패드층(208)은 족압으로부터 압전센서(200`)의 내부구성을 보호할 수 있으며, 보행자의 체중에 따라 다양한 족압에 견딜 수 있도록 압전센서(200`)를 충실히 보호해줄 수 있다.

상기 패드층(208)은, 보행자에게 보행의 충격을 완화시켜줄 수 있는 적정의 쿠션감을 제공할 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 제1, 제2 절연보호층(203a,203b)은, 내측에 배치된 압전종이(205)를 가압 이전상태로 회복하도록, 그러니까 편평한 판 상의 원형으로 강제하도록 경성의 기능성 플라스틱 소재로 형성될 수 있으며, 이에 따라, 보행동작이나 러닝동작에 따른 충격을 완화해줄 수 있는 별도의 패드층(208)을 마련함으로써 보행충격을 완화시켜줄 필요성이 크다.

상기 패드층(208)은, 제1, 제2 절연보호층(203a,203b) 상에 각각 형성된 제1, 제2 패드층(208a,208b)을 포함할 수 있다. 상기 제1, 제2 패드층(208a,208b)은, 기능성 플라스틱 소재의 제1, 제2 절연보호층(203a,203b)보다는 완충성이 우수한 연성의 고무 소재로 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1, 제2 패드층(208a,208b)은, 제1, 제2 절연보호층(203a,203b)보다는 두껍게 형성됨으로써, 그러니까, 제1, 제2 패드층(208a,208b)의 두께(t1)를, 제1, 제2 절연보호층(203a,203b)의 두께(t2)보다 두껍게 형성함으로써(t1 > t2), 보행충격을 효과적으로 완화시켜줄 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100,200,200`: 압전센서 101,201: 제1 전극부
102,202: 제2 전극부 103,203a,203b: 절연보호층
105,205: 압전종이 110: 신호 변환부
111: 정류부 112: 버퍼
113: 다이오드 115: 신호 소거부
120,220: AD 변환부 130,230: 신호 검출부
140: 응용 모듈 208,208a,208b: 패드층
241: 오디오 재생기 242: LED 발광부
S1: 고주파 신호 W1: 고주파 신호의 제1 파장
S2: 저주파 신호 W2: 저주파 신호의 제2 파장

Claims

타격을 감지하기 위한 압전센서:
타격에 대응하여 압전센서로부터 출력된 제1 파장의 출력신호를, 제1 파장보다 길게 연장된 제2 파장의 신호로 출력하기 위한 신호 변환부;
상기 신호 변환부의 출력신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 AD 변환부; 및
상기 디지털 신호를 수신하여 타격에 따른 피크 신호를 검출하기 위한 신호 검출부;를 포함하고,
상기 신호 변환부의 출력신호를 초기화시키기 위한 신호 소거부를 더 포함하며,
상기 신호 소거부는,
스위칭 신호에 따라 상기 신호 변환부의 커패시터의 방전 경로를 개폐하는 스위치 소자; 및
상기 스위치 소자와 전기적으로 연결된 저항 소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전센서 모듈.
제1항에 있어서,
상기 압전센서는,
압전종이; 및
상기 압전종이의 면 방향을 따라 일단부와 타단부에 형성된 제1, 제2 전극부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전센서 모듈.
제2항에 있어서,
상기 압전종이의 양면 상에 형성된 절연보호층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전센서 모듈.
제3항에 있어서,
상기 절연보호층은, 상기 제1, 제2 전극부가 접속되는 일단부와 타단부를 제외한 압전종이의 양면을 덮는 것을 특징으로 하는 압전센서 모듈.
제3항에 있어서,
상기 절연보호층은, 상기 압전종이의 양면에 코팅된 기능성 플라스틱 소재 또는 열가소성 폴리우레탄 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 압전센서 모듈.
제1항에 있어서,
상기 신호 변환부는,
압전센서의 출력신호를 정류하기 위한 정류부;
정류된 신호를 충전 및 유지하기 위한 커패시터; 및
상기 정류부와 커패시터 사이에 연결된 버퍼;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전센서 모듈.
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제1항에 있어서,
피크 신호를 검출한 신호 검출부의 출력신호에 근거하여, 상기 커패시터의 방전 경로를 개방하기 위한 스위칭 신호가 생성되는 것을 특징으로 하는 압전센서 모듈.
가압을 감지하기 위한 압전센서:
상기 압전센서의 출력신호를, 디지털 신호로 변환하기 위한 AD 변환부; 및
상기 디지털 신호를 수신하여 가압에 따른 피크 신호를 검출하기 위한 신호 검출부;를 포함하고,
상기 압전센서는,
압전종이;
상기 압전종이의 서로 반대되는 제1, 제2 면을 덮도록 형성된 제1, 제2 전극부; 및
상기 제1, 제2 전극부 상에 형성된 제1, 제2 절연보호층;을 포함하며,
상기 제1, 제2 절연보호층 상에는, 보행충격을 완화할 수 있는 제1, 제2 패드층이 형성되어 있고,
상기 제1, 제2 패드층은, 상기 제1, 제2 절연보호층보다는 연성의 고무 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 압전센서 모듈.
제10항에 있어서,
상기 절연보호층은, 상기 제1, 제2 전극부 상에 코팅된 기능성 플라스틱 소재 또는 열가소성 폴리우레탄 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 압전센서 모듈.
제10항에 있어서,
상기 압전센서는 사람의 족압을 감지하고,
상기 신호 검출부의 출력 측에는, 족압에 대응하는 피크 신호를 동작개시신호로 하는 오디오 재생기 또는 통행량 검출 계수기 또는 LED 발광부가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 압전센서 모듈.
삭제
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제10항에 있어서,
상기 제1, 제2 패드층은, 상기 제1, 제2 절연보호층보다 두껍게 형성된 것을 특징으로 하는 압전센서 모듈.