KR101449407B1

KR101449407B1 - 압전소자의 맞물림을 이용한 촉각 센서

Info

Publication number: KR101449407B1
Application number: KR1020120142431A
Authority: KR
Inventors: 정영도; 임현의; 김완두; 허신; 이준희; 박수아; 송경준
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2014-10-15
Also published as: KR20140074461A

Abstract

본 발명은 미세 하중의 감지를 위한 촉각 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압전소자 및 전도성 소재의 맞물림에 따른 전압, 전류 및 저항의 변화에 따라 수직 하중, 전단 하중 및 비틀림 하중을 감지하는 압전소자의 맞물림을 이용한 촉각 센서에 관한 것이다.

Description

압전소자의 맞물림을 이용한 촉각 센서{Highly Sensitive Tactile Sensor using Interlocking of Piezoelectric Element}

접촉을 통한 주변 환경의 정보, 즉 접촉력, 진동, 표면의 거칠기, 열전도도에 대한 온도변화 등을 획득하는 촉각 기능은 차세대 정보수집 매체로 인식되고 있다. 촉각 감각을 대체할 수 있는 생체 모방형 촉각센서는 혈관 내의 미세수술, 암진단 등의 각종 의료진단 및 시술에 사용될 뿐만 아니라 향후 가상환경 구현기술에서 중요한 촉각 제시 기술에 적용될 수 있기 때문에 그 중요성이 더해지고 있다.

생체모방 형 촉각센서는 이미 산업용 로봇의 손목에 사용되고 있는 6 자유도의 힘/토크 센서와 로봇의 그립퍼(gripper)용으로 접촉 압력 및 순간적인 미끄러짐을 감지할 수 있으나, 이는 감지부의 크기가 비교적 큰 관계로 민감도가 낮은 문제점이 있었다.

이를 극복하기 위해 미소기전집적시스템(MEMS) 제작기술을 이용하여 감지부의 크기가 충분히 작으며, 어레이 형태로 된 촉각센서가 개발 되고 있으며, 최근에는 유연한 소재를 사용하여, 곡면 등 표면의 형상에 관계없이 적용 가능한 촉각센서의 개발들이 이루어지고 있다.

그러나 지금까지 촉각 감지를 위해 개발된 소자들은 미세한 수직 하중, 전단 하중 및 비틀림 하중의 정확히 측정이 어렵고, 복합 하중의 측정이 가능한 촉각소자들 또한 복잡한 추가 측정회로 및 장치들이 요구되는 등의 문제점이 있었다.

따라서 본 발명이 속하는 기술분야에서는 미세 하중 예를 들면 수직 하중(normal force), 전단 하중(shear force) 및 비틀림 하중(torsion force)을 정확하게 감지함과 동시에 휘어짐 및 복원력이 우수하고 유연성 및 신축성이 뛰어난 촉각센서의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 복수 개의 유연한 나노/마이크로 필라 구조물에 압전소자 특성을 갖는 압전막이 감싸도록 하며, 일정 크기의 저항 값을 갖는 전도성 물질을 추가 코팅하고, 이를 서로 맞물리도록 구성하여 압전막에 가해지는 힘에 따른 전압 또는 전류의 변위와, 나노/마이크로 필러들 간의 접촉 면적에 따른 전도성 물질의 저항의 변위를 측정하여 센서에 가해지는 수직, 전단 및 비틀림 하중을 정확하게 측정하는 압전소자의 맞물림을 이용한 촉각 센서를 제공함에 있다.

본 발명의 촉각 센서는, 일면에 외부의 하중이 인가되며, 신축성을 갖는 제1 층; 상기 제1 층의 타면 외측으로 돌출 형성되는 적어도 하나 이상의 제1 센서돌기; 일면이 상기 제1 층의 타면에 대향하도록 구비되며, 신축성을 갖는 제2층; 상기 제2 층의 일면 외측으로 돌출 형성되는 적어도 하나 이상의 제2 센서돌기; 를 포함하며, 상기 제1 센서돌기와, 제2 센서돌기는 서로 맞물림 결합되며, 상기 제1 센서돌기의 끝단은 상기 제2 층의 일면에서 소정거리 이격되고, 상기 제2 센서돌기의 끝단은 상기 제1 층의 타면에서 소정거리 이격된다.

이때, 상기 제1 센서돌기는, 탄성체로 되는 제1 탄성돌기; 및 상기 제1 탄성돌기를 감싸도록, 압전소자로 되는 제1 압전막; 으로 구성되며, 상기 제2 센서돌기는, 탄성체로 되는 제2 탄성돌기; 및 상기 제2 탄성돌기를 감싸도록, 압전소자로 되는 제2 압전막; 으로 구성되고, 상기 제1 탄성돌기 및 제2 탄성돌기의 휘어짐에 따른 상기 제1 및 제2 압전막의 변위에 따라 전압 또는 전류의 변화에 의해 상기 제1 층에 가해지는 전단 하중 또는 비틀림 하중을 감지한다.

또한, 상기 제1 센서돌기 및 제2 센서돌기는, 상기 제1 및 제2 압전막의 외면에 코팅되는 제1 및 제2 전도성 소재를 더 포함하며, 상기 제1 및 제2 전도성 소재의 접촉면적에 따른 저항의 변화에 의해 상기 제1 층에 가해지는 수직 하중을 감지 한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 압전소자의 맞물림을 이용한 촉각 센서는, 유연 소재를 기반으로 하여 촉각 센서를 유연하게 제작할 수 있을 뿐 아니라 압전막의 압전 신호를 이용해 전단 하중 및 비틀림 하중을 정확하게 감지하고, 전도성 소재의 수직 하중에 의한 접촉면 변화에 따른 저항 변위를 이용해 수직 하중을 정확하게 감지할 수 있는 효과가 있다. 특히 압전소자의 변위에 따른 전압 또는 전류의 변화를 이용하기 때문에 전단 하중 및 비틀림 하중 발생 시 별도의 변위 측정 장비가 필요하지 않아 구성이 간단하여, 초소형화가 가능하며 제작 및 유지 보수비용이 저렴한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 촉각 센서 전체 사시도
도 2는 본 발명의 일실시 예의 촉각 센서 정면투시도
도 3은 본 발명의 촉각 센서 작동 정면투시도 (수직 하중)
도 4는 본 발명의 촉각 센서 작동 정면투시도 (전단 하중)

도 1에는 본 발명의 일실시 예에 따른 촉각 센서(1000)의 전체 사시도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 본 발명의 촉각 센서(1000)는 일면으로 하중이 전달되는 제1 층(100)과, 제1 층(100)에서 타면 외측으로 대향 배치되는 제2 층(200)과, 제1 층(100)의 타면 외측으로 연장되는 복수 개의 제1 센서돌기(300)와, 제2 층(200)의 일면 외측으로 연장되는 복수 개의 제2 센서돌기(400)를 포함한다. 복수 개의 제1 및 제2 센서돌기(300, 400)는 각각이 서로 맞물려 결합되며, 제1 층(100)에 가해지는 미세 하중에 따라 제1 및 제2 센서돌기(300, 400)의 맞물림 상태가 변화되고, 이 변화에 따른 전압, 전류 또는 저항의 변화에 따라 미세 하중의 종류와 세기를 감지하게 된다. 이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시 예에 따른 촉각 센서에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2에는 본 발명의 일실시 예에 따른 촉각 센서(1000)의 정면투시도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 제1 층(100)은 두께가 있는 판상으로 이루어진다. 제1 층(100)은 신축성 있는 재질로 이루어지며, 일면에 가해지는 하중을 타면에 전달하기 위해 구성된다. 제1 층(100)의 타면에는 제1 센서돌기(300)가 형성된다. 제1 센서돌기(300)는 제1 층(100)의 타면에서 타측 방향으로 연장 형성되는 돌기 형으로 이루어진다. 제1 센서돌기(300)는 제1 층(100)의 타면에 복수 개가 소정거리 이격되어 고루 배치될 수 있다.

제1 센서돌기(300)는 제1 탄성돌기(310)와, 제1 탄성돌기(310)의 외면에 형성되는 제1 압전막(320)과, 제1 압전막(320)의 외면에 형성되는 제1 전도성 소재(330)를 포함한다. 제1 탄성돌기(310)는 탄성 재질로 이루어지며, 일예로 나노 또는 마이크로 탄성 필러가 적용될 수 있다. 제1 탄성돌기(310)의 외면에는 제1 압전막(320)이 코팅될 수 있다. 제1 압전막(320)은 압전소자로 이루어지며, 길이 변위에 의해 전압 또는 전류 신호를 전달하도록 구성될 수 있다. 따라서 제1 압전막(320)은 전단 하중 및 비틀림 하중에 의해 제1 탄성돌기(310)가 휘어지면 전압 또는 전류 신호를 전달하도록 구성될 수 있다. 제1 압전막(320)의 외면에는 제1 전도성 소재(330)가 코팅될 수 있다. 제1 전도성 소재(330)는 전도성 재질이면 어떠한 재질이 적용되어도 무방하며 일예로 전도성 나노소재가 적용될 수 있다. 제1 전도성 소재(330)는 후술되는 제2 전도성 소재(430)와 맞물려 수직 하중에 의한 접촉 면적에 따라 변화되는 저항 신호를 전달하도록 구성될 수 있다. 제1 압전막(320)의 전압 또는 전류 신호 전달 구성 및 제1 전도성 소재(330)에 전류를 인가하여 저항 신호를 전달하는 구성은 통상의 전기 전달 구성이 적용될 수 있는 바 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

제2 층(200)은 제1 층(100)의 타측 방향으로 소정거리 이격 배치된다. 제2 층(200)은 일면이 제1 층(100)의 타면에 대향하도록 배치된다. 제2 층(200)은 두께가 있는 판상으로 이루어진다. 제2 층(200)은 신축성 있는 재질로 이루어지며, 제1 층(100)에 가해지는 하중을 감지하기 위해 제1 센서돌기(300)에 맞물리는 제2 센서돌기(400)가 일면에 배치된다. 도면상에는 제1 센서돌기(300)와 제2 센서돌기(400)가 서로 이격 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 본 발명의 제1 센서돌기(300) 및 제2 센서돌기(400)의 구성에 대한 이해를 돕기 위한 것이며, 실제로는 서로 밀착되어 맞물려 구성될 수 있다. 제2 층(200)의 일면에는 제2 센서돌기(400)가 형성된다. 제2 센서돌기(400)는 제2 층(200)의 일면에서 일측 방향으로 연장 형성되는 돌기 형으로 이루어진다. 제2 센서돌기(400)는 제2 층(200)의 타면에 복수 개가 소정거리 이격되어 고루 배치될 수 있다. 이때 제2 센서돌기(400)는 제1 센서돌기(300)와 서로 맞물리도록 구성되며, 제1 센서돌기(300)의 끝단이 제2 층(200)의 일면에서 소정거리 이격되고, 제2 센서돌기(400)의 끝단이 제1 층(100)의 타면에서 소정거리 이격되도록 맞물릴 수 있다. 이는 제1 층(100)에 수직 하중이 발생했을 때 제1 센서돌기(300)가 수직 하중 발생 방향으로 이동하여 제1 센서돌기(300)와 제2 센서돌기(400)의 접촉 면적이 변화되도록 하기 위함이다.

제2 센서돌기(400)는 제2 탄성돌기(410)와, 제2 탄성돌기(410)의 외면에 형성되는 제2 압전막(420)과, 제2 압전막(420)의 외면에 형성되는 제2 전도성 소재(430)를 포함한다. 제2 탄성돌기(410)는 탄성 재질로 이루어지며, 일예로 나노 또는 마이크로 탄성 필러가 적용될 수 있다. 제2 탄성돌기(410)의 외면에는 제2 압전막(420)이 코팅될 수 있다. 제2 압전막(420)은 압전소자로 이루어지며, 길이 변위에 의해 전압 또는 전류 신호를 전달하도록 구성될 수 있다. 따라서 제2 압전막(420)은 전단 하중 및 비틀림 하중에 의해 제2 탄성돌기(410)가 휘어지면 전압 또는 전류 신호를 전달하도록 구성될 수 있다. 제2 압전막(420)의 외면에는 제2 전도성 소재(430)가 코팅될 수 있다. 제2 전도성 소재(430)는 전도성 재질이면 어떠한 재질이 적용되어도 무방하며 일예로 전도성 나노소재가 적용될 수 있다. 제2 전도성 소재(430)는 제1 전도성 소재(330)와 맞물려 수직 하중에 의한 접촉 면적에 따라 변화되는 저항 신호를 전달하도록 구성될 수 있다. 제2 압전막(420)의 전압 또는 전류 신호 전달 구성 및 제2 전도성 소재(430)에 전류를 인가하여 저항 신호를 전달하는 구성은 통상의 전기 전달 구성이 적용될 수 있는 바 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하에서는 상기와 같이 구성된 본 발명의 작용에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

도 3에는 제1 층(100)의 일면에 수직 하중이 발생하는 경우의 촉각 센서(1000)의 작동 상태가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 제1 층(100)의 일면에 수직 하중이 발생하면, 수직 하중 발생 부의 제1 센서돌기(300)가 타방향으로 이동하게 되고, 제2 센서돌기(400)와의 접촉 면적이 증가한다. 이에 따라 제1 전도성 소재(330)와 맞물린 제2 전도성 소재(430)의 저항의 변화에 의해 하중의 종류가 수직 하중임을 인지하며, 세기를 감지하게 된다. 이때 제1 및 제2 압전막(320, 420)의 변위는 발생 치 않기 때문에 이에 따른 전압 및 전류의 변화가 발생하지 않는다.

도 4에는 제1 층(100)의 일면에 전단 하중이 발생하는 경우의 촉각 센서(1000)의 작동 상태가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 제1 층(100)의 일면에 전단 하중이 발생하면, 제1 층(100)이 수평 방향으로 이동하고, 제1 센서돌기(300)와, 이에 맞물린 제2 센서돌기(400)가 수평방향으로 변위가 발생하게 된다. 이에 따라 제1 압전막(320)과 제2 압전막(420)에 변위가 발생하고, 이에 따른 전압 및 전류를 발생하여 하중의 종류가 전단 하중임을 인지하고, 세기를 감지하게 된다.

상기와 같은 구성을 통해 센서돌기의 변위를 별도의 측정 장비를 통해 측정하지 않아도 전단 하중 또는 비틀림 하중의 인지 및 세기 감지가 가능한 장점이 있다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

1000 : 촉각 센서
100 : 제1 층 200 : 제2 층
300 : 제1 센서돌기 310 : 제1 탄성돌기
320 : 제1 압전막 330 : 제1 전도성 소재
400 : 제2 센서돌기 410 : 제1 탄성돌기
420 : 제2 압전막 430 : 제2 전도성 소재

Claims

일면에 외부의 하중이 인가되며, 신축성을 갖는 제1 층;
상기 제1 층의 타면 외측으로 돌출 형성되는 적어도 하나 이상의 제1 센서돌기;
일면이 상기 제1 층의 타면에 대향하도록 구비되며, 신축성을 갖는 제2층;
상기 제2 층의 일면 외측으로 돌출 형성되는 적어도 하나 이상의 제2 센서돌기; 를 포함하며,
상기 제1 센서돌기와, 제2 센서돌기는 서로 밀착되어 맞물림 결합되며, 상기 제1 센서돌기의 끝단은 상기 제2 층의 일면에서 소정거리 이격되고, 상기 제2 센서돌기의 끝단은 상기 제1 층의 타면에서 소정거리 이격되는, 압전소자의 맞물림을 이용한 촉각 센서.
제 1항에 있어서,
상기 제1 센서돌기는,
탄성체로 되는 제1 탄성돌기; 및
상기 제1 탄성돌기를 감싸도록, 압전소자로 되는 제1 압전막; 으로 구성되며,
상기 제2 센서돌기는,
탄성체로 되는 제2 탄성돌기; 및
상기 제2 탄성돌기를 감싸도록, 압전소자로 되는 제2 압전막; 으로 구성되고,
상기 제1 탄성돌기 및 제2 탄성돌기의 휘어짐에 따른 상기 제1 및 제2 압전막의 변위에 따라 전압 또는 전류의 변화에 의해 상기 제1 층에 가해지는 전단 하중 또는 비틀림 하중을 감지하는, 압전소자의 맞물림을 이용한 촉각 센서.
제 2항에 있어서,
상기 제1 센서돌기 및 제2 센서돌기는,
상기 제1 및 제2 압전막의 외면에 코팅되는 제1 및 제2 전도성 소재를 더 포함하며, 상기 제1 및 제2 전도성 소재의 접촉면적에 따른 저항의 변화에 의해 상기 제1 층에 가해지는 수직 하중을 감지하는, 압전소자의 맞물림을 이용한 촉각 센서.