KR101662130B1 - 바이모프를 이용한 운동 감지 센서 - Google Patents

바이모프를 이용한 운동 감지 센서 Download PDF

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KR101662130B1
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류성욱
이성재
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한국원자력연구원
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Abstract

본 발명은 바이모프를 이용한 운동 감지 센서에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 바이모프를 이용하여 물체의 회전 및 선형 운동의 크기 및 방향을 실시간으로 측정할 수 있으며, 또한 빠른 시간 분해능을 가져 정밀 제어에 활용 가능한, 바이모프를 이용한 운동 감지 센서를 제공함에 있다.

Description

바이모프를 이용한 운동 감지 센서 {Motion sensor using bimorphs}
본 발명은 바이모프를 이용한 운동 감지 센서에 관한 것이다.
바이모프 압전소자(bimorph piezoelectric element)란 2개의 압전소자 및 그 사이에 개재되는 전극이 일체화되어 이루어지는 소자를 말하는 것이다. 일반적으로 압전소자에 인장 또는 압축 응력을 가하면 미리 분극되어 있는 방향으로 전압이 발생하며, 분극의 방향을 역으로 하면 전압의 방향도 역전되고, 또는 인장 시와 압축 시에서 전압의 방향이 서로 역방향이 된다. 도 1(A)에서 보이는 바와 같이, 이와 같은 압전소자를 외팔보 형상으로 설치하고, 고정되지 않은 쪽 일측 끝단을 눌러 형상 변형이 일어나게 하면, 도 1(A)를 기준으로 윗면에서는 인장력이 발생하고 밑면에서는 압축력이 가해짐으로써 상하 양면에 같은 종류의 전하가 발생하며, 결과적으로 윗면과 밑면 간 전위차가 발생하지 않아 전압이 나타나지 않게 된다. 반면 도 1(B)에서 보이는 바와 같이, 압전소자 2개가 겹쳐져 배치되게 하고 중앙에 전극이 개재시킨 구조로 된 바이모프 압전소자의 경우, 중앙의 전극을 이용하여 2개의 압전소자가 병렬로 연결된 형태가 되므로 전압이 나타날 수 있게 된다. 도 1(B)는 기본적인 바이모프 압전소자의 예시로서, 도 1(B)에서는 2개의 압전 소자가 같은 방향으로 분극되어 있도록 함으로써 중앙 전극에 의하여 윗면-중앙 / 밑면-중앙 각각의 전기적 연결이 병렬 관계가 되는 형태를 도시하고 있으나, 2개의 압전 소자가 역방향으로 분극되어 있도록 할 경우 직렬 관계가 될 수 있으며 이 경우 전압은 2배로 나타나게 된다.
상술한 바와 같이 바이모프 압전소자(이하 축약하여 '바이모프'라 칭함)는 형상 변형 정도에 따라 전압이 발생되므로, 진동형 가속도 센서 등의 형태로서 널리 사용되어 왔다. 일례로 한국특허공개 제1994-00157477호("전방위 압전 회전각 센서", 이하 선행문헌 1)에는, 정육면체의 각 여섯 면 중심에 바이모프를 고정시켜 코리올리스 힘의 방향이 일치되게 한 전방위 압전 회전각 센서가 개시된다.
한편 본 출원인에 의하여 출원 및 등록 완료된 한국특허등록 제1431461호("바이모프를 이용한 유량계", 이하 선행문헌 2)에는, 상술한 바와 같은 바이모프를 이용하여 유량을 측정하는 센서가 개시된 바 있다. 상기 선행문헌 2에서는, 도 2에 도시된 바와 같이 유체가 흘러가는 관 내에 바이모프가 수직 배치되게 하여, 유체의 유동에 의해 바이모프가 형상 변형을 일으킴으로써 발생되는 진동주파수를 측정함으로써 유량을 산출하도록 되어 있다.
이처럼 바이모프의 형상 변형을 이용하여 가속도, 유량 등과 같이 위치 및 방향과 관련된 다양한 물리량을 측정할 수 있다. 이에 따라 바이모프를 활용하여 물체의 회전이나 움직임 방향 등을 보다 정밀하게 측정할 수 있는 새로운 센서 구조에 대한 연구 및 개발이 꾸준히 이루어지고 있다.
1. 한국특허공개 제1994-00157477호("전방위 압전 회전각 센서") 2. 한국특허등록 제1431461호("바이모프를 이용한 유량계")
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 바이모프를 이용하여 물체의 회전 및 선형 운동의 크기 및 방향을 실시간으로 측정할 수 있으며, 또한 빠른 시간 분해능을 가져 정밀 제어에 활용 가능한, 바이모프를 이용한 운동 감지 센서를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바이모프를 이용한 운동 감지 센서는, 내부에 공동(115)이 형성되는 본체(110); 상기 공동(115) 내부에 상기 공동(115)의 내측을 향해 돌출되도록 구비되는 다수 개의 바이모프(120); 상기 공동(115) 내부에 수용되는 구슬(130); 을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한 이 때 상기 운동 감지 센서(100)는, 상기 운동 감지 센서가 선형 또는 회전 운동을 함에 따라 상기 구슬(130)의 위치가 변화하여, 상기 구슬(130)이 다수 개의 상기 바이모프(120)들에 선택적으로 접촉되는 위치 및 정도가 측정됨으로써 선형 또는 회전 운동의 방향 또는 크기를 측정하도록 이루어질 수 있다.
또한 상기 운동 감지 센서(100)는, 상기 구슬(130)이 상기 바이모프(120) 중 일부와 접촉하여 지지된 상태로 위치되도록, 상기 공동(115) 내부가 공기로 충진되거나 또는 진공으로 형성되도록 이루어질 수 있다.
또는 상기 운동 감지 센서(100)는, 운동 미발생 시 상기 구슬(130)이 상기 바이모프(120)와 비접촉한 상태로 상기 공동(115) 중심부에 위치되도록, 상기 공동(115)에 상기 구슬(130)과 동일한 밀도를 가지는 충진재가 충진되도록 이루어질 수 있다.
또한 상기 운동 감지 센서(100)는, 상기 공동(115)이 구 형상으로 이루어지며, 다수 개의 상기 바이모프(120)들은, 구 형상으로 된 상기 공동(115)의 중심을 향해 돌출되도록 배치되되, 구 형상으로 된 상기 공동(115) 상의 위도 및 경도를 따라 미리 결정된 간격만큼 이격된 위치에 배치되도록 이루어질 수 있다.
또는 상기 운동 감지 센서(100)는, 상기 공동(115)이 정육면체 형상으로 이루어지며, 다수 개의 상기 바이모프(120)들은, 정육면체 형상으로 된 상기 공동(115)의 각 면으로부터 수직하게 돌출되도록 배치되되, 정육면체 형상으로 된 상기 공동(115)의 각 면마다 형성되는 모눈 상의 위치에 배치되도록 이루어질 수 있다.
또한 상기 구슬(130)은, 탄성을 가지는 재질일 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 구슬(130)은, 고무, PDMS, 실리콘 중 선택되는 적어도 어느 하나의 재질일 수 있다.
본 발명은 다수 개의 바이모프 압전센서를 사용하여 물체의 회전 및 선형 운동의 크기 및 방향을 측정할 수 있는 새로운 구조를 제시한다. 이에 따라 본 발명에 의하면, 바이모프를 이용하여 물체의 회전 및 선형 운동의 크기 및 방향을 실시간으로 측정할 수 있는 효과가 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명에서는 물체의 회전 및 선형 운동의 크기 및 방향을 바이모프 형상 변형을 이용하여 측정하기 때문에, 빠른 시간 분해능을 가지며 또한 정밀한 측정이 가능하다는 큰 효과가 있는 것이다.
또한 본 발명에 의한 센서는, 위치, 기울기 등의 감별이 필요한 모든 물체에 삽입된 형태로 사용이 가능하여 활용도가 높다는 장점이 있다. 또한 본 발명에 의한 센서는 센서를 이루는 부품이 단지 바이모프와 구슬 정도로 매우 단순하며, 따라서 그 크기가 바이모프의 길이 및 구슬의 크기에 의해서만 제한되기 때문에, 수백 μm 급의 소형 부품들을 사용함으로써 초소형 센서의 제작도 가능하여, 운동 감지 센서의 초소형화를 실현할 수 있다는 장점 또한 있다.
이처럼 본 발명에 의하면 물체의 회전 및 선형 운동의 크기 및 방향을 정밀하고 신속하게 측정할 수 있어, 정밀 제어가 필요한 연구 또는 산업 분야에서의 폭넓은 활용이 가능하다.
도 1은 바이모프 압전소자의 원리 설명.
도 2는 바이모프를 이용한 유량계.
도 3은 본 발명의 바이모프를 이용한 운동 감지 센서의 한 실시예.
도 4는 본 발명의 바이모프를 이용한 운동 감지 센서의 다른 실시예.
도 5는 본 발명의 센서를 이용한 회전 운동 감지 예시.
도 6은 본 발명의 센서를 이용한 선형 운동 감지 예시.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 바이모프를 이용한 운동 감지 센서를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
앞서 설명한 바와 같이, 바이모프는 일반적으로 외팔보 형태로 형성되며 2개의 압전소자 및 그 사이에 개재되는 전극이 일체화되어 이루어지는 소자이다. 외부 하중이 가해짐에 따라 외팔보 형태가 휘어지면, 바이모프의 일면은 인장되고 타면은 압축됨으로써 전위차가 발생되는데, 이렇게 발생되는 전위차 즉 전압 크기를 측정함으로써 형상이 변형된 정도를 측정할 수 있다. 보다 구체적으로는, 바이모프에서 발생되는 전압 및 굴곡 변위 간의 관계는 하기의 수학식과 같이 나타난다.
Figure 112015087978076-pat00001
(여기에서, V는 바이모프에서 발생되는 전압, Bd는 바이모프의 굴곡 변위, L은 바이모프의 길이, T는 바이모프의 두께, N은 바이모프를 이루는 압전소자의 개수, d31은 압전정수)
여기에서 바이모프의 길이(L), 두께(T), 압전소자 개수(N), 압전정수(d31)는 모두 미리 알려져 있는 상수값이므로, 실질적으로는 외부 하중에 의하여 바이모프가 굴곡지게 될 때 발생되는 굴곡 변위(Bd)를 알면 이에 따라 발생되는 전압(V)을 산출할 수 있고, 또는 그 반대도 가능하게 된다. 본 발명은 이러한 바이모프들이 다수 개 적절하게 배열되는 구조를 이용하여, 물체의 선형 또는 회전 운동의 방향 또는 크기를 측정하는 센서의 구성을 제시한다.
도 3은 본 발명의 바이모프를 이용한 운동 감지 센서의 한 실시예를 도시하고 있으며, 도 4는 본 발명의 바이모프를 이용한 운동 감지 센서의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도 3 또는 도 4를 참조할 때, 본 발명에 의한 바이모프를 이용한 운동 감지 센서(100)는, 본체(110), 다수 개의 바이모프(120), 구슬(130)을 포함하여 이루어진다.
상기 본체(110)는 도 3 또는 도 4에 도시된 바와 같이 내부에 공동(115)이 형성된다. 도 3 또는 도 4에는 상기 본체(110) 자체의 형상이 원기둥 형태인 것으로 도시되어 있으나, 사실상 상기 본체(110)는 이하 설명될 상기 바이모프(120), 상기 구슬(130) 등을 그 내부에 수용하여 지지하는 역할만 하면 되기 때문에, 그 형상은 어떤 다른 형상으로 이루어져도 무방하다. 첨언하자면, 실제로 운동 감지를 하고자 하는 대상에 상기 운동 감지 센서(100)를 장착할 시에, 장착이 용이하도록 하기 위하여 걸림부나 홈 등과 같은 조립용 구조가 구비되어 있는 등과 같이 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 바이모프(120)는, 다수 개가 상기 공동(115) 내부에 상기 공동(115)의 내측을 향해 돌출되도록 구비된다. 이 때 상기 공동(115)의 형상에 따라 상기 바이모프(120)의 배치 형태가 달라질 수 있는데, 상기 공동(115) 형상에 따른 두 가지 다른 실시예가 도 3 및 도 4에 각각 나타나 있다.
먼저 도 3은 상기 공동(115)이 구 형상으로 이루어지는 예시를 도시하고 있다. 이 경우 다수 개의 상기 바이모프(120)들은, 구 형상으로 된 상기 공동(115)의 중심을 향해 돌출되도록 배치된다. 또한 이 때 다수 개의 상기 바이모프(120)들은, 구 형상으로 된 상기 공동(115) 상의 위도 및 경도를 따라 미리 결정된 간격만큼 이격된 위치에 배치되도록 할 수 있다. 도 3(A)에는 위도 및 경도가 표시된 사시도가, 도 3(B)에는 상기 본체(110)의 중심을 지나되 어느 하나의 경도를 기준으로 한 단면도가 도시되어 있다. 즉 도 3의 예시에서는, 도 3(A)에 도시된 위도 및 경도가 교차하는 지점마다 상기 바이모프(120)가 구비되도록 하고 있다.
또한 도 4는 상기 공동(115)이 정육면체 형상으로 이루어지는 예시를 도시하고 있다. 이 경우 다수 개의 상기 바이모프(120)들은, 정육면체 형상으로 된 상기 공동(115)의 각 면으로부터 수직하게 돌출되도록 배치된다. 또한 이 때 다수 개의 상기 바이모프(120)들은, 정육면체 형상으로 된 상기 공동(115)의 각 면마다 형성되는 모눈 상의 위치에 배치되도록 할 수 있다. 도 4(A)에는 정육면체 형상으로 된 상기 공동(115)의 각 면마다 형성되는 모눈이 표시된 사시도가, 도 3(B)에는 상기 본체(110)의 중심을 지나되 모눈들로 이루어지는 선들 중 선택되는 어느 하나의 선을 기준으로 한 단면도가 도시되어 있다.
도 3의 실시예의 경우 상기 바이모프(120)들의 위치가 구면좌표계로 나타나므로, 회전 운동의 감지 시 상대적으로 계산량을 줄일 수 있어 보다 유리할 수 있다. 반면 도 4의 실시예의 경우 상기 바이모프(120)들의 위치가 직교좌표계로 나타나므로, 선형 운동의 감지 시 보다 유리할 수 있다. 또한 도 4의 실시예의 경우 상기 공동(115)이 X, Y, Z 3방향 각각에 대하여 모두 동일한 길이를 갖는 정육면체 형상으로 형성되게 하고 있으나, X, Y, Z 3방향 각각의 길이가 적절하게 다르게 형성되는 직육면체 형상으로 형성되게 함으로써 긴 쪽 방향의 선형 운동 감지가 보다 정밀하게 이루어지게 할 수도 있다. 한편 여기에는 나타나지 않았지만 상기 공동(115)이 원통 형상으로 형성되게 함으로써 상기 바이모프(120)들의 위치가 원통좌표계로 나타나도록 할 수도 있음은 물론이다. 이 경우에는 원통 형상으로 된 상기 공동(115)의 중심축을 회전축으로 하는 회전 운동의 감지 시 가장 유리할 수 있다. 이와 같이, 도 3 및 도 4에 나타나 있는 실시예 외에도, 측정하고자 하는 운동의 방향이나 형태에 적합한 공동 형상 및 바이모프 배치 형태가 적절하게 변경 설계될 수 있음은 물론이다.
한편 도 3의 실시예에서는 구형으로 된 상기 공동(120)에 대하여 상기 바이모프(120)들이 모두 중심을 향해 돌출되기 때문에 공간적 낭비가 발생하지 않는다. 그러나 상기 바이모프(120)의 길이가 상기 바이모프(120)들 간의 간격보다 길 경우, 도 4의 실시예에서는 정육면체 형상으로 된 상기 공동(120)의 각 꼭지점 근처 공간들에 바이모프 배치가 불가능한 잉여 공간이 발생할 수 있다. 그러나 이처럼 잉여 공간이 발생한다 하더라도, 바이모프들의 끝단들이 연결되어 이루어지는 공간, 즉 실질적으로 측정이 이루어지는 공간에는 빈 부분이 발생하지 않으므로, 측정에 있어서 큰 문제는 되지 않는다.
상기 구슬(130)은, 도시된 바와 같이 상기 공동(115) 내부, 더욱 정확하게는 상기 바이모프(120)들로 이루어지는 공간 내부에 수용된다. 본 발명에서는, 상기 운동 감지 센서(100)가 선형 또는 회전 운동을 함에 따라 상기 구슬(130)의 위치가 변화하여, 상기 구슬(130)이 다수 개의 상기 바이모프(120)들에 선택적으로 접촉되는 위치 및 정도가 측정됨으로써 선형 또는 회전 운동의 방향 또는 크기를 측정하게 된다.
이 때 상기 구슬(130)이 움직여 상기 바이모프(120)들과 접촉하게 되는 과정에서, 상기 바이모프(120)에 지나친 충격을 가하여 상기 바이모프(120)가 손상될 위험성이 있을 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위하여, 상기 구슬(130)은 충격량을 일부 흡수할 수 있도록 탄성을 가지는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 상기 구슬(130)은 고무, PDMS, 실리콘 등과 같은 재질로 이루어질 수 있다. 특히 상기 구슬(130)의 중량을 줄이기 위하여, 속이 빈 고무공과 같은 형태로 만들어지게 할 수도 있다.
이하에서, 상기 구슬(130)의 움직임을 상기 바이모프(120)들로 측정하여 궁극적으로는 감지 대상물의 운동 방향 또는 크기를 측정하는 원리에 대하여 보다 상세히 설명한다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 바이모프(120)는 외팔보 형태로 형성되며, 외부로부터 하중을 받으면 굽혀지면서 전압 신호를 발생시킨다. 발생되는 전압 신호의 크기는 굴곡 변위, 바이모프 형상 수치(길이 및 두께) 등 여러 변수들에 의해 결정되나, 굴곡 변위를 제외한 다른 변수들의 경우 미리 결정되어 알려져 있는 상수값이기 때문에, 실질적으로는 전압 신호는 굴곡 변위 값에 비례한다. 따라서, 상기 구슬(130)이 다수 개의 상기 바이모프(120)들 중 어떤 바이모프에 접촉하여 굽힘이 발생하면, 굽힘이 발생한 바이모프의 위치 및 굴곡 변위를 감지함으로써, 상기 구슬(130)이 얼마나 위치가 변동되었는지를 실시간으로 정밀하게 파악할 수 있다. 물론 상기 구슬(130)의 위치 변동은 상기 운동 감지 센서(100) 자체의 선형 또는 회전 운동의 방향 또는 크기에 따라 발생되는 것이므로, 상기 구슬(130)의 위치 변동을 감지함으로써 상기 운동 감지 센서(100), 나아가 상기 운동 감지 센서(100)가 부착된 감지 대상물의 선형 또는 회전 운동의 방향 또는 크기를 정밀하게 측정할 수 있는 것이다.
상기 구슬(130)의 위치 변동에 의해 접촉된 바이모프들의 위치는, 도 3의 실시예에서는 위도 및 경도에 따른 인덱스, 도 4의 실시예에서는 모눈에 따른 인덱스 등으로 역시 매우 쉽게 파악할 수 있다. 또한 상기 구슬(130)에 의한 바이모프들의 굴곡 변위는, 상술한 바와 같이 굴곡 변위는 전압 신호에 비례하므로, 미리 계산된 비례상수 값을 이용하여 손쉽게 산출할 수 있다. 즉 본 발명의 운동 감지 센서(100)는, 상기 구슬(130)의 위치 변동을 측정함에 있어서 실질적으로 계산해야 하는 데이터량이 극히 적고, 따라서 매우 신속한 계산이 가능하기 때문에, 실시간 측정에 더더욱 유리하다.
이처럼 본 발명의 운동 감지 센서(100)에서는 상기 바이모프(120)들에 상기 구슬(130)이 접촉하는 것으로서 위치 인식이 이루어지게 되므로, 상기 바이모프(120)들 간의 간격은 사용자가 원하는 상기 운동 감지 센서(100)의 정밀도 수준에 맞게 결정되는 것이 바람직하다. 예를 들어 매우 정밀하게 위치를 감지해야 할 경우 상기 바이모프(120)들 간의 간격을 좁게 하여야 할 것이며, 대략적인 위치 파악만으로도 충분한 경우에는상기 바이모프(120)들 간의 간격을 적당히 넓게 해도 무방하다.
이와는 다른 관점에서, 상기 운동 감지 센서(100) 하나에 포함되는 상기 바이모프(120)들의 개수가 많아질수록(즉 바이모프들 간 간격이 좁아질수록) 센서 하나당 제작 비용이 상승하는 경제적인 문제도 있다. 이 때 센서 정밀도가 경제성보다 최우선인 경우(예를 들어 연구소에서 정밀 실험을 위해 사용되는 경우 등)에는 원하는 정밀도에 맞추어 바이모프 개수를 늘리는 것이 바람직하겠으나, 센서 정밀도가 다소 떨어지더라도 경제성을 먼저 고려해야 할 경우(예를 들어 다수의 센서가 산업 현장에 배포되어 사용되어야 하는 경우 등)에는 적절히 바이모프 개수를 줄일 수도 있다.
즉 이러한 여러 가지 사항들을 고려하여, 상기 바이모프(120)들 간의 간격은 기본적으로 응용 분야 및 요구되는 센서의 정밀도에 따라 적절하게 조절될 수 있다.
또다른 관점에서, 도시된 바와 같이 상기 바이모프(120)들이 너무 빽빽하게 배치될 경우 어떤 바이모프가 하중을 받았을 때 근처에 배치된 다른 바이모프에 지지되는 바람에 충분히 굽혀지지 않을 수 있는 등의 문제가 있으므로, 상기 바이모프(120)들은 서로 적당한 간격으로 이격 배치되어야 한다.
또한, 상기 구슬(130)이 너무 작을 경우 상술한 바와 같이 적당한 간격으로 이격 배치된 상기 바이모프(120)들 사이로 상기 구슬(130)이 빠져버릴 위험이 있다. 또는 상기 구슬(130) 직경과 상기 바이모프(120)들 간의 간격이 비슷한 수준일 경우에는, 상기 바이모프(120)들 사이의 공간에 상기 구슬(130)이 끼어 박혀버림으로써 올바른 동작이 이루어지지 못하게 될 수도 있다. 반대로 상기 구슬(130)이 너무 클 경우 상기 구슬(130)의 위치 변동이 발생하였을 때 상기 구슬(130)에 의하여 눌려지는 바이모프가 너무 많아지며, 이 경우 상기 구슬(130)의 위치를 특정하기가 어려워진다. 물론 다수 개의 바이모프들이 동시에 눌려진다 하더라도 각각의 바이모프들 간 압력에는 차이가 있으므로 상기 구슬(130)의 주 위치를 판별할 수는 있으나, 불필요한 계산량의 증가가 발생될 수 있는 문제는 여전히 남게 된다. 이러한 점을 감안하여, 작동 오류 방지(구슬이 바이모프 사이에 빠지거나 끼임 방지) 및 용이한 식별(구슬이 너무 많은 바이모프들과 한꺼번에 접촉함 방지)을 위해, 상기 구슬(130)의 직경은 상기 바이모프들(120) 간의 간격 대비 1.5배 ~ 2배 범위 내에 있도록 하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 발명의 운동 감지 센서(100)는 상기 공동(115) 내에서의 상기 구슬(130)의 움직임을 감지함으로써 궁극적으로 감지 대상물의 운동을 측정하게 된다. 이 때, 감지 대상물이 회전 운동을 주로 하는 경우, 상기 구슬(130)은 상기 본체(110)에 대한 상대 위치가 거의 정지되어 있는 상태가 되어 있을 수 있다. 이 경우 상기 구슬(130)의 운동을 측정하기 위해서는, 어느 경우에든 상기 구슬(130)이 상기 바이모프(120) 중 일부와 접촉하여 지지된 상태로 위치되도록, 상기 공동(115) 내부가 공기로 충진되거나, 또는 상기 구슬(130)의 움직임에서의 저항 영향을 최소화하도록 진공으로 형성되도록 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 센서를 이용한 회전 운동 감지 예시를 도시하고 있다. 즉 감지 대상물의 운동 양상을 측정함에 있어서 상하좌우의 움직임 변화 즉 선형 운동보다는 회전 방향을 세밀하게 감지하고자 하는 경우, 도 5에 보이는 바와 같이 상기 구슬(130)의 위치가 거의 고정된 상태에서 상기 공동(115) 내벽에 부착된 상기 바이모프(120)들만 감지 대상물의 회전에 따라 함께 회전하도록 한다. 이와 같이 하면 상기 구슬(130)에 작용하는 주된 힘이 중력이 되므로 상기 구슬(130) 그 위치가 거의 고정된 상태로 유지되도록 하는 것이 가능하다. 이와 같이 할 경우, 물체의 회전 방향을 식별할 수 있을 뿐 아니라 회전수도 측정할 수 있으며, 이를 이용하여 회전 각속도 등을 산출할 수도 있다.
물론 이와 같이 상기 공동(115) 내부가 공기가 충진되거나 진공으로 형성된 경우에 회전 운동만을 측정할 수 있는 것은 아니며, 상기 구슬(130)의 초기 위치를 알면 상기 구슬(130)의 위치 변화 양상을 측정할 수 있기 때문에 선형 운동의 측정에도 활용할 수 있다.
한편, 감지 대상물의 운동 양상이 회전 운동보다는 선형 운동에 가까운 경우에는, 감지 대상물이 정지된 상태에서 상기 구슬(130)이 상기 바이모프(120)에 접촉되어 있지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하기 위해서는, 상기 운동 감지 센서(100)는, 운동 미발생 시 상기 구슬(130)이 상기 바이모프(120)와 비접촉한 상태로 상기 공동(115) 중심부에 위치되도록, 상기 공동(115)에 상기 구슬(130)과 동일한 밀도를 가지는 충진재가 충진되도록 한다. 즉 상기 구슬(130)에 작용하는 부력과 중력이 동일하도록 함으로써 상술한 바와 같이 상기 구슬(130)이 상기 공동(115) 중심에 떠 있는 위치에 배치될 수 있게 할 수 있는 것이다.
도 6은 본 발명의 센서를 이용한 선형 운동 감지 예시를 도시하고 있다. 즉 감지 대상물의 운동 양상을 측정함에 있어서 상하좌우 움직임 변화 즉 선형 운동을 세밀하게 감지하고자 하는 경우, 도 6에 도시된 바와 같이 운동이 발생하지 않은 상태에서는 상기 구슬(130)이 상기 공동(115) 중심에 떠 있는 위치에 배치된 상태가 유지되도록 한다. 이 상태에서 감지 대상물이 선형 운동을 할 경우, 관성력에 의해 상기 구슬(130)은 움직여서 상기 바이모프(130)들 중 어딘가에 접촉하게 되며, 이러한 상기 구슬(130)의 움직임 변화가 측정됨으로써 궁극적으로 감지 대상물의 선형 운동의 측정이 가능하다.
한편 본 발명의 운동 감지 센서(100)는, 상술한 바와 같이 본체(110), 바이모프(120), 구슬(130)로 이루어지는 매우 단순한 구성을 취하고 있다. 이에 따라 본 발명의 운동 감지 센서(100)는 그 제작 및 운용이 용이한 장점이 있다. 더불어 상기 운동 감지 센서(100)의 크기는 바이모프의 길이 및 구슬의 크기에 의해서만 제약되기 때문에, 예를 들어 수백 μm 수준의 바이모프 및 구슬을 사용하여 초소형 센서를 제작하는 것도 가능하다. 또한 이와 같이 센서의 크기나 외형에의 자유도가 매우 높음에 따라, 위치나 기울기 감별이 필요한 그 어떤 감지 대상물에든 손쉽게 삽입 또는 부착 사용이 가능하여, 활용 범위가 비약적으로 넓어진다. 또한 앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 운동 감지 센서는 측정 원리가 단순하고 계산량이 적기 때문에, 실시간으로 세밀한 운동 방향 및 크기를 측정할 수 있는 장점이 있음은 물론이다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: (본 발명의) 운동 감지 센서
110: 본체 115: 공동
120: 바이모프 130: 구슬

Claims (8)

  1. 내부에 공동(115)이 형성되는 본체(110);
    상기 공동(115) 내부에 상기 공동(115)의 내측을 향해 돌출되도록 구비되는 다수 개의 바이모프(120);
    상기 공동(115) 내부에 수용되는 구슬(130);
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이모프를 이용한 운동 감지 센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 운동 감지 센서(100)는
    상기 운동 감지 센서가 선형 또는 회전 운동을 함에 따라 상기 구슬(130)의 위치가 변화하여, 상기 구슬(130)이 다수 개의 상기 바이모프(120)들에 선택적으로 접촉되는 위치 및 정도가 측정됨으로써 선형 또는 회전 운동의 방향 또는 크기를 측정하는 것을 특징으로 하는 바이모프를 이용한 운동 감지 센서.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 운동 감지 센서(100)는
    상기 공동(115)이 구 형상으로 이루어지며,
    다수 개의 상기 바이모프(120)들은, 구 형상으로 된 상기 공동(115)의 중심을 향해 돌출되도록 배치되되, 구 형상으로 된 상기 공동(115) 상의 위도 및 경도를 따라 미리 결정된 간격만큼 이격된 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 바이모프를 이용한 운동 감지 센서.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 운동 감지 센서(100)는
    상기 공동(115)이 정육면체 형상으로 이루어지며,
    다수 개의 상기 바이모프(120)들은, 정육면체 형상으로 된 상기 공동(115)의 각 면으로부터 수직하게 돌출되도록 배치되되, 정육면체 형상으로 된 상기 공동(115)의 각 면마다 형성되는 모눈 상의 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 바이모프를 이용한 운동 감지 센서.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 운동 감지 센서(100)는
    상기 구슬(130)이 상기 바이모프(120) 중 일부와 접촉하여 지지된 상태로 위치되도록,
    상기 공동(115) 내부가 공기로 충진되거나 또는 진공으로 형성되는 것을 특징으로 하는 바이모프를 이용한 운동 감지 센서.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 운동 감지 센서(100)는
    운동 미발생 시 상기 구슬(130)이 상기 바이모프(120)와 비접촉한 상태로 상기 공동(115) 중심부에 위치되도록,
    상기 공동(115)에 상기 구슬(130)과 동일한 밀도를 가지는 충진재가 충진되는 것을 특징으로 하는 바이모프를 이용한 운동 감지 센서.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 구슬(130)은
    탄성을 가지는 재질인 것을 특징으로 하는 바이모프를 이용한 운동 감지 센서.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 구슬(130)은
    고무, PDMS, 실리콘 중 선택되는 적어도 어느 하나의 재질인 것을 특징으로 하는 바이모프를 이용한 운동 감지 센서.
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