KR101477120B1 - 정전용량형 6축 힘/토크 센서 - Google Patents

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최혁렬
이동혁
김의겸
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성균관대학교산학협력단
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    • G01L3/106—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving electrostatic means

Abstract

정전용량형 6축 힘/토크 센서가 개시된다. 본 발명에 따른 정전용량형 6축 힘/토크 센서는, 원형 PCB 기판, 상기 원형 PCB 기판 상부에 형성되는 전극 및 상기 원형 PCB 기판의 크기에 대응하며 상기 원형 PCB 기판 상부에 배치되는 원형 전극 상판을 포함하고, 상기 전극은 상기 원형 PCB 기판의 중심으로부터 소정 거리만큼 떨어진 지점에서부터 상기 원형 PCB 기판의 반지름 방향을 따라 형성되는 복수 쌍의 선형 전극이며, 상기 원형 PCB 기판의 원주 방향을 따라 일정 각도 간격으로 등분되도록 각각 이격되어 형성되며, 상기 원형 PCB 기판과 상기 원형 전극 상판은 소정 간격 이격되어 에어 갭(Air Gap)을 형성하며, 상기 전극과 상기 원형 전극 상판 사이의 정전용량의 변화를 측정하여 외부에서 가해지는 힘 또는 토크의 크기를 측정할 수 있다.

Description

정전용량형 6축 힘/토크 센서{CAPACITIVE 6-AXIAL FORCE/TORQUE SENSOR}
본 발명은 정전용량형 6축 힘/토크 센서에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 정전용량 변화를 이용하여 공간상 질점에 가해지는 다축 힘 및 모멘트를 측정하는 6축 힘/토크 센서에 관한 것이다.
공간상의 질점에 가해지는 힘은 6개의 성분(3축 힘 및 3축 토크)으로 완전하게 기술될 수 있으며 응용분야에 따라 모든 성분을 측정하는 6축 힘 센서 또는 3축 토크가 중요하지 않은 경우 3축 힘만 측정하는 3축 힘 센서가 사용된다.
종래의 다축 힘/토크 센서는 대부분이 스트레인 게이지를 이용한 저항 방식을 사용하고 있으며, 광 다이오드/광 트랜지스터를 이용한 광학적 방식이 일부 사용되고 있다.
저항 방식에서는 3차원적 탄성 구조물의 특정 부분에 스트레인 게이지를 부착하고 외력에 의해 구조물이 변형될 때 스트레인 게이지에서 생기는 저항 변화를 이용하여 힘을 측정하고 있으며, 광학적 방식에서는 스트레인 게이지 대신 외력에 의해 발생하는 발광부(광 다이오드)/수광부(광 트랜지스터)의 거리 차이를 이용해 힘을 측정한다.
이와 같은 방식의 가장 큰 문제점은 조립의 어려움과 이로 인해 발생하는 비용의 증가이다. 3차원적 탄성 구조물에 여러 개의 스트레인 게이지나 광소자를 부착하는 것은 작업의 특성상 자동화가 거의 불가능하며, 숙련된 인원의 수작업이 반드시 필요하다. 또한, 수작업 조립에 의해 각 센서의 반응이 균일하지 못하며 이는 제품 품질 관리 비용의 상승을 초래한다.
이로 인하여 일반적인 3축 이상의 다축 힘/토크 센서의 경우 높은 가격으로 인해 로봇 등 힘 센서가 필요한 분야에서의 사용이 널리 이루어지지 않고 있다.
이에, 단순한 구조로 제작되어 비용이 절감되고, 다축 힘 및 다축 토크를 측정할 수 있는 센서 개발이 필요하게 되었다.
공개특허공보 제10-2012-0119172호, '다축 힘토크 센서'
상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 단순한 구조로 제작 가능한 정전용량을 이용하는 6축 힘/토크 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 유전 물질의 응력 완화 현상을 방지할 수 있는 구조를 갖는 6축 힘/토크 센서를 제공하는 것이다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 정전용량형 6축 힘/토크 센서는, 원형 PCB 기판, 상기 원형 PCB 기판 상부에 형성되는 전극 및 상기 원형 PCB 기판의 크기에 대응하며 상기 원형 PCB 기판 상부에 배치되는 원형 전극 상판을 포함하고, 상기 전극은 상기 원형 PCB 기판의 중심으로부터 소정 거리만큼 떨어진 지점에서부터 상기 원형 PCB 기판의 반지름 방향을 따라 형성되는 복수 쌍의 선형 전극이며, 상기 원형 PCB 기판의 원주 방향을 따라 일정 각도 간격으로 등분되도록 각각 이격되어 형성되며, 상기 원형 PCB 기판과 상기 원형 전극 상판은 소정 간격 이격되어 에어 갭(Air Gap)을 형성하며, 상기 전극과 상기 원형 전극 상판 사이의 정전용량의 변화를 측정하여 외부에서 가해지는 힘 또는 토크의 크기를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전극은 120도 간격으로 등분되는 3쌍의 전극으로 이루어질 수 있으며, 상기 원형 전극 상판은 금속으로 이루어지고, 외부와 접지될 수 있다.
또한, 상기 전극은 90도 간격으로 등분되는 4쌍의 전극 또는 60도 간격으로 등분되는 6쌍의 전극으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 원형 전극 상판이 상기 원형 PCB 기판과 마주보는 면에는, 상기 전극이 형성되는 위치에 대응하는 영역에 홈이 형성될 수 있으며, 상기 원형 전극 상판이 상기 원형 PCB 기판과 소정 간격 이격되도록 상기 원형 전극 상판을 고정하는 탄성구조물을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전극이 형성된 상기 원형 PCB 기판 표면에 도포되는 유전체를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 정전용량형 6축 힘/토크 센서는 단순한 구조로 제작 가능한 정전용량을 이용하는 6축 힘/토크 센서를 제공할 수 있다.
또한, 유전 물질의 응력 완화 현상을 방지할 수 있는 구조를 갖는 6축 힘/토크 센서를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원형 PCB 기판의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 6축 힘/토크 센서의 분해사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 6축 힘/토크 센서의 단면을 나타내는 개략도이다.
도 4는 외력에 의한 정전용량 변화를 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 6축 힘/토크 센서에 가해지는 외력의 방향에 따른 전극의 상대적인 변화를 나타내는 개략도이다.
도 6은 도 5의 전극의 상대적인 변화에 따른 정전용량 변화를 나타내는 표이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전극의 형상을 나타내는 개략도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 관한 정전용량형 6축 힘/토크 센서에 대해 상세히 설명하도록 한다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략될 수 있다.
또한, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원형 PCB 기판의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 상기 원형 PCB 기판(10)은 그 상부에 형성되는 전극(20)을 포함한다. 상기 전극(20)은 상기 원형 PCB 기판(10)의 중심으로부터 소정 거리만큼 떨어진 지점에서부터 상기 원형 PCB 기판의 반지름 방향을 따라 형성되는 복수 쌍의 선형 전극이며, 상기 원형 PCB 기판의 원주 방향을 따라 일정 각도 간격으로 등분되도록 각각 이격되어 형성된다.
따라서, 상기 전극(20)은 상기 원형 PCB 기판(10)의 중심으로부터 일정 반지름을 갖는 원형 영역 내에는 형성되지 않으며, 따라서, 도 1에 도시되는 바와 같이 상기 원형 PCB 기판의 내부 동심원 영역에는 전극이 형성되지 않는다.
한편, 도 1에 도시되는 본 발명의 일 실시예에 따른 원형 PCB 기판(10)은 120도 간격으로 등분되는 3쌍의 전(20)극을 포함하는데, 상기 전극은 반드시 3쌍으로 한정되는 것은 아니며, 측정 민감도를 높이기 위하여 더 많은 쌍의 전극을 포함할 수 있다.
상기 전극 각각은 별도의 센서 칩(미도시)과 연결되는데, 상기 센서 칩은 상기 원형 PCB 기판에서 전극이 형성되지 않는 영역에 배치될 수 있으며, 상기 원형 PCB 기판 외부에 배치될 수도 있다.
다만, 상기 전극과 상기 센서 칩을 연결하는 배선은 외부 환경의 영향을 최소화하기 위하여 상기 원형 PCB 기판과 동일 평면상에 배치되는 것이 좋고, 따라서, 상기 센서 칩은 상기 전극이 형성되지 않는 영역에 배치되는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 6축 힘/토크 센서의 분해사시도이다.
도 2를 참조하면, 상기 정전용량형 6축 힘/토크 센서는, 원형 PCB 기판(10), 상기 원형 PCB 기판 상부에 형성되는 전극(20), 상기 전극이 형성된 상기 원형 PCB 기판 표면에 도포되는 유전체(30) 및 상기 원형 PCB 기판의 크기에 대응하며 상기 원형 PCB 기판 상부에 배치되는 원형 전극 상판(50)을 포함한다.
상기 원형 PCB 기판(10) 및 상기 전극(20)은 도 1을 참조로 하여 설명한 바와 동일하며, 이하에서는 나머지 구성요소에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
상기 유전체(30)는 시트(sheet) 형상으로 상기 전극이 형성된 원형 PCB 기판(10) 표면에 고르게 도포되며, 이는 상기 전극과 상기 원형 전극 상판 사이에 형성되는 정전용량을 크게 하여, 정전용량의 작은 변화도 정확하게 측정하기 위함이다.
상기 원형 전극 상판(50)은 상기 원형 PCB 기판(10)에 형성되는 전극(20)에 대응하는 전극의 역할을 하는데, 상기 원형 PCB 기판과 마주보는 면에는, 상기 전극이 형성되는 위치에 대응하는 영역에 홈이 형성된다. 또한, 상기 원형 전극 상판은 전극으로 기능하기 위하여 금속으로 이루어지고, 외부와 접지되어 정전용량 계산을 위한 기준이 된다.
한편, 상기 원형 PCB 기판(10)과 상기 원형 전극 상판(50)은 소정 간격 이격되어 에어 갭(Air Gap)을 형성하는데, 이는 상기 유전체(30)의 응력 완화(stress relaxation) 현상을 최소화하기 위함이다.
응력 완화는 순간적으로 준 변형을 일정하게 유지할 때 물체 내부의 응력이 시간의 경과에 따라 감소하는 현상을 의미한다. 응력 완화는 물체에 탄성과 점성이 공존하기 때문에 일어나는데, 상기 에어 갭은 외부에서 가해지는 반복적인 힘으로 인한 상기 유전체의 응력 완화를 제거하는 역할을 한다.
한편, 상기 에어 갭의 두께는 상기 센서에 가해질 수 있는 외력의 크기를 고려하여 결정되는데, 센서에 가해질 것으로 예상되는 힘 또는 토크의 크기 내지는 요구되는 수인 한도에 따라서 다른 두께를 갖도록 형성할 수 있다.
따라서, 상대적으로 큰 힘이 가해질 것으로 예상되거나, 보다 큰 힘을 측정할 수 있는 센서를 제작하고자 하는 경우에는 상기 에어 갭의 두께를 두껍게 하는 것이 바람직하다.
거리에 따른 정전용량의 변화를 고려하여 상기 에어 갭의 두께를 얇게 형성하면 정전용량을 크게 할 수 있는 장점을 가질 수 있지만, 일정 두께 이하로 형성되는 경우에는 상기 원형 전극 상판과 상기 유전체가 서로 닿게 되어 외력으로 인한 유전체의 응력 완화 현상이 센서의 출력에 영향을 줄 수 있으므로, 위와 같은 조건을 바탕으로 에어 갭의 두께를 결정해야 할 것이다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량형 6축 힘/토크 센서는 상기 원형 전극 상판이 상기 원형 PCB 기판과 소정 간격 이격되도록 상기 원형 전극 상판을 고정하는 탄성구조물(60)을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 탄성구조물(60)의 상부 내측에는 상기 탄성구조물에 대한 커버 역할을 하는 판이 삽입될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 6축 힘/토크 센서의 단면을 나타내는 개략도이다.
도 3을 참조하면, 상기 정전용량형 6축 힘/토크 센서는 하단으로부터 원형 PCB 기판(10), 전극(20), 유전체(30), 에어 갭(40) 및 원형 전극 상판(50)으로 구성되며, 상기 원형 전극 상판을 고정하는 탄성구조물은 도시하지 않았다.
상기 전극이 형성되는 영역에서의 단면의 형상은 도 3에 도시되는 바와 같고, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 원형 전극 상판과 상기 전극 사이의 거리 변화에 의한 정전용량 변화를 이용하여 가해지는 외력의 방향 및 크기를 측정할 수 있음을 이해할 수 있다.
이러한 방법은 도 4를 통하여 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 4는 외력에 의한 정전용량 변화를 나타내는 개략도이다.
본 발명에 따른 정전용량형 6축 힘/토크 센서는 전극 사이의 거리 변화에 따른 정전용량 변화를 이용하여 외부에서 가해지는 힘 또는 토크의 크기 및 방향을 측정하는 것을 특징으로 하는바, 도 4는 이러한 원리를 설명하기 위해서 활용된다.
도 4(a)와 도 4(b)는 각각 수직항력에 의한 정전용량 변화와 전단력에 의한 정전용량 변화를 설명한다.
도 4(a)를 참조하면, 유전체(D)의 상부와 하부에 각각 형성되는 상부 전극(E1)과 하부 전극(E2)을 확인할 수 있으며, 상기 상부 전극과 하부 전극은 각각 본 발명에 따른 정전용량형 6축 힘/토크 센서의 원형 전극 상판과 원형 PCB 기판에 형성되는 전극에 대응한다.
상기 유전체(D)는 외력에 의해 형태가 변하더라도 외력이 해제되면 다시 원상태로 복구되는 탄성을 가진 센서 구조를 개념적으로 설명하기 위한 유전체이고, 상기 유전체가 외력에 의해 형태가 변할 경우 상기 상부 전극(E1)과 하부 전극(E2) 간의 거리가 변하며, 외력이 강해질수록 거리의 변화는 더 커지게 된다.
상기와 같이 구성된 상부 전극(E1)과 하부 전극(E2) 사이에 전위차가 발생하면 전극에 전하가 쌓이며, 이 전하의 양을 전압으로 나눈 것이 정전용량이다. 이때, 상기 정전용량 값을 구하기 위한 수학식은 아래와 같다.
Figure 112014035310933-pat00001
여기서, C는 정전용량, d는 전극 간의 거리, ε는 유전체의 유전율, A는 전극 간 대향 면적이다. 상기 수학식 1과 같이 정전용량 값은 전극 간의 거리에 따라 변하게 된다.
한편, 도 4(b)는 전단력이 가해지는 경우 유전체(D)에 비틀림이 발생하면서 상부 전극(E1)과 하부 전극(E2) 간의 대향 면적은 줄어들게 된다. 그에 따라 정전용량 값은 줄어들게 되고, 이러한 정전용량 변화량을 이용하여 외부에서 가해진 전단력을 도출할 수 있다.
본 발명에서는 힘 센서에 외력이 가해졌을 때, 원형 전극 상판(50)과 원형 PCB 기판(10)에 형성되는 전극(20) 사이의 정전용량 값의 변화를 측정함으로써, 상기 정전용량 값에 따라 힘/토크 센서에 가해지는 외력을 도출하는 것을 특징으로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 6축 힘/토크 센서에 가해지는 외력의 방향에 따른 전극의 상대적인 변화를 나타내는 개략도이다.
이해를 돕기 위하여 상기 원형 PCB 기판에 형성되는 전극을 각각 제1 전극부터 제6 전극(21, 22, 23, 24, 25, 26)으로 설명한다.
한편, 외력의 방향을 3축으로 설명하고자 도면의 왼쪽에서 오른쪽 방향을 (+)x축, 앞에서 뒤를 향하는 방향을 (+)y축, 그리고 아래에서 위를 향하는 방향을 (+)z축으로 정의한다.
도 5(a) 내지 도 5(c)는 각각, x 방향의 힘 Fx, z 축에 대한 모멘트 Mz 및 x 축에 대한 모멘트 Mx 가 가해졌을 때의 전극의 상대적인 변화를 나타낸다.
먼저, 도 5(a)를 참조하면, x 방향의 힘이 가해지는 경우의 전극의 상대적인 위치 변화를 확인할 수 있다. 외부에서 힘 또는 토크가 가해지는 경우, 상기 원형 PCB 기판은 고정된 상태로 유지되며, 전극의 상대적인 변화는 상기 원형 전극 상판의 움직임에 의하여 발생한다.
따라서, x축 방향의 힘이 가해지면, 상기 원형 전극 상판은 오른쪽 방향으로 기울어져, 도 5(a)에 도시되는 바와 같이 전극의 상대적인 위치 변화가 발생하며, 상기 원형 전극 상판은 제1 전극(21), 제4 전극(24) 및 제6 전극(26)과 멀어져 해당 전극에서의 정전용량은 감소한다.
반면에, 상기 원형 전극 상판은 상기 제2 전극(22), 제3 전극(23) 및 제5 전극(25)과 가까워지므로, 해당 전극에서의 정전용량은 증가하게 된다.
도 5(b)를 참조하여, z 축에 대한 모멘트 Mz가 가해지는 경우를 설명하면 다음과 같다. Mz는 (+)z 방향을 중심으로 반시계 방향의 비틀림이 발생하는 경우인데, 이때 상기 원형 전극 상판은 상기 제1 전극(21), 제3 전극(23) 및 제5전극(25)과의 대향 면적이 넓어지므로 해당 전극에서의 정전용량은 증가하게 된다.
반대로, 상기 원형 전극 상판은 상기 제2 전극(22), 제4 전극(24) 및 제6 전극과의 대향 면적이 좁아지므로 해당 전극에서의 정전용량은 감소하게 된다.
위와 같은 원리에 따라, 도 5(c)를 참조하여, x 축에 대한 모멘트 Mx가 가해지는 경우를 설명하면, 상기 원형 전극 상판(50)은 상기 원형 PCB 기판에 대하여 x 축을 중심으로 반시계 방향을 비틀리게 되므로, 상기 원형 전극 상판(50)은 상기 제3 전극 내지 제6 전극(23, 24, 25, 26)과 가까워지므로 해당 전극에서의 정전용량은 증가하게 된다.
반대로, 상기 원형 전극 상판(50)은 상기 제1 전극(21) 및 제2 전극(22)과 멀어지게 되므로, 해당 전극 영역에서의 정전용량은 감소하게 된다.
도 6은 도 5의 전극의 상대적인 변화에 따른 정전용량 변화를 나타내는 표이다.
도 6에 도시되는 표의 세로축은 x, y, z 축 방향의 힘과 모멘트를 나타내며, 가로축의 셀1 내지 셀6은 상기 제1 전극 내지 제6 전극과 상기 원형 전극 상판이 형성하는 전극 셀을 의미한다.
상기 표에서 +, -는 각각 정전용량이 상대적으로 증가하거나 감소하는 것을 나타내며, O 기호는 정전용량의 유의미한 변화가 없음을 의미한다.
또한, 지금까지는 정전용량의 상대적인 변화만을 설명하였으나, 상기 원형 전극 상판과 상기 제1 내지 제6 전극 사이의 정전용량은 정량적으로도 측정 가능하므로, 위와 같은 정전용량의 변화를 고려하면, 거꾸로 상기 6축 힘/토크 센서에서의 정전용량의 변화를 통하여 전극 사이의 거리 변화 내지는 대향하는 면적의 변화를 추정할 수 있고, 이어서 상기 6축 힘/토크 센서에 가해지는 외력과 토크의 방향 및 크기를 산출할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전극의 형상을 나타내는 개략도이다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 각각 90도 간격으로 등분되는 4쌍의 전극(20') 및 60도 간격으로 등분되는 6쌍의 전극(20")을 나타낸다.
도 1 내지 도 4에서 예로써 설명한 전극은 120도 간격으로 등분되는 3개의 전극으로 이루어지며, 이러한 형상의 전극은 도 4에서 설명한 바와 같이, 제1 내지 제6 전극에서의 정전용량의 상대적인 변화를 측정하여 외력의 방향 및 크기를 측정할 수 있으나, 보다 많은 단위로 구분되는 전극을 이용할 경우 측정의 정확도를 높일 수 있다. 각각의 전극이 커버하는 영역을 보다 좁은 영역으로 한정할 수 있기 때문이다.
10 : 원형 PCB 기판 20, 20', 20" : 전극
30 : 유전체 40 : 에어 갭
50 : 원형 전극 상판 60 : 탄성구조물

Claims (7)

  1. 원형 PCB 기판;
    상기 원형 PCB 기판 상부에 형성되는 전극; 및
    상기 원형 PCB 기판의 크기에 대응하며 상기 원형 PCB 기판 상부에 배치되는 원형 전극 상판;
    을 포함하고,
    상기 전극은 상기 원형 PCB 기판의 중심으로부터 소정 거리만큼 떨어진 지점에서부터 상기 원형 PCB 기판의 반지름 방향을 따라 형성되는 복수 쌍의 선형 전극이며, 상기 원형 PCB 기판의 원주 방향을 따라 일정 각도 간격으로 등분되도록 각각 이격되어 형성되며,
    상기 원형 PCB 기판과 상기 원형 전극 상판은 소정 간격 이격되어 에어 갭(Air Gap)을 형성하며,
    상기 전극과 상기 원형 전극 상판 사이의 정전용량의 변화를 측정하여 외부에서 가해지는 힘 또는 토크의 크기를 측정하는 정전용량형 6축 힘 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 120도 간격으로 등분되는 3쌍의 전극으로 이루어지는 정전용량형 6축 힘 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 90도 간격으로 등분되는 4쌍의 전극 또는 60도 간격으로 등분되는 6쌍의 전극으로 이루어지는 정전용량형 6축 힘 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 원형 전극 상판은 금속으로 이루어지고, 외부와 접지되어 있는 정전용량형 6축 힘 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 원형 전극 상판이 상기 원형 PCB 기판과 마주보는 면에는, 상기 전극이 형성되는 위치에 대응하는 영역에 홈이 형성되어 있는 정전용량형 6축 힘 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 원형 전극 상판이 상기 원형 PCB 기판과 소정 간격 이격되도록 상기 원형 전극 상판을 고정하는 탄성구조물을 더 포함하는 정전용량형 6축 힘 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전극이 형성된 상기 원형 PCB 기판 표면에 도포되는 유전체를 더 포함하는 정전용량형 6축 힘 센서.
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