KR101685802B1 - 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서에 관한 것으로서, 유연성을 갖는 비전도성 재질로 형성된 기판; 상기 기판 상부에 형성되며, 상기 기판의 상면의 중심에 형성되는 하나의 음극 전극, 상기 음극 전극을 기준으로 각각 인접하여 소정의 간극을 갖도록 형성되는 복수 개의 양극 전극들로 구성되는 전극 레이어; 및 상기 전극 레이어 상부에 형성되며, 상기 음극 전극의 일부와 상기 복수 개의 양극 전극들 중 하나의 일부에 중첩되게 배치되는 복수 개의 CMC 패드들로 구성되는 CMC 패드부; 를 포함할 수 있다.

Description

근접 검출이 가능한 다축 힘 센서{FABRICATING MULTI FORCE SENSOR POSSIBLE TO DETECT A PROXIMITY}
본 발명은 근접 검출이 가능한 다축힘 센서에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 유연한 필름 형태로 제조되어 로봇의 피부에 적용할 수 있는 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서에 관한 것이다.
종래의 다축 힘 센서는 유전체를 중심으로 양쪽 면에 전극으로 구성되는 커패시터 타입의 구조가 일반적으로 사용되며, 유전체를 중심으로 양측에 서로 대칭되는 위치에 전극이 형성된다. 커패시터 타입의 구조로 형성된 다축 힘 센서는 유전체 양측에 위치한 전극의 일부 또는 전극과 연결된 도선이 센서의 외부로 노출되어 두 전극간의 정전용량의 변화량을 측정하는 방식으로 동작한다.
따라서 커패시터 타입의 구조로 형성된 다축 힘 센서는 센서 자체의 두께를 줄이는데 한계가 있으며, 커패시터 타입의 구조로 형성된 다축 힘 센서의 외부로 노출된 전극의 일부 또는 외부로 노출된 도선이 외부 충격에 의해 쉽게 단선되므로 외부 충격에 대한 내구성은 취약하다.
한편, 종래의 커패시터 타입의 구조로 형성된 다축 힘 센서는 일정수준의 두께를 갖도록 형성되기 때문에 로봇의 피부에 적용하기에는 적합하지 않다.
이에, 로봇의 피부에 적용할 수 있도록 종래의 커패시터 타입의 구조로 형성된 다축 힘 센서보다 더 얇고 유연한 다축 힘 센서의 제조 기술의 개발이 요구된다.
한국공개특허공보 제10-2014-0125903호
본 발명의 실시예는 종래의 다축힘 센서보다 더 얇으며, 로봇의 피부에 적용할 수 있는 얇고 유연한 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는 외부로부터 가해지는 힘의 정도뿐만 아니라 물체의 근접 정도를 검출할 수 있는 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 다축힘 센서는, 유연성을 갖는 비전도성 재질로 형성된 기판; 상기 기판 상부에 형성되며, 상기 기판의 상면의 중심에 형성되는 하나의 음극 전극, 상기 음극 전극을 기준으로 각각 인접하여 소정의 간극을 갖도록 형성되는 복수 개의 양극 전극들로 구성되는 전극 레이어; 및 상기 전극 레이어 상부에 형성되며, 상기 음극 전극의 일부와 상기 복수 개의 양극 전극들 중 하나의 일부에 중첩되게 배치되는 복수 개의 CMC 패드들로 구성되는 CMC 패드부; 를 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 양극 전극들 사이에 상기 간극은 상기 하나의 음극 전극을 기준으로 동일한 각도와 동일한 간격으로 이격될 수 있다.
상기 복수 개의 양극 전극들은, 세 개의 양극 전극들로 형성되며, 상기 세 개의 양극 전극들 사이에 형성되는 간극은 상기 하나의 음극 전극을 중심으로 각각 120도 이격되도록 형성될 수 있다.
상기 복수 개의 CMC 패드들은, 상기 하나의 음극 전극을 중심으로 동일한 각도와 동일한 간격으로 이격될 수 있다.
상기 복수 개의 CMC 패드들은, 세 개의 CMC 패드들로 형성되며, 상기 세 개의 CMC 패드들은 상기 하나의 음극 전극을 중심으로 각각 120도 이격되도록 형성될 수 있다.
상기 하나의 음극 전극은, 원형 또는 삼각형의 형상으로 형성될 수 있다.
상기 복수 개의 양극 전극들은, 상기 하나의 음극 전극과 동일 평면상에 형성될 수 있다.
상기 복수 개의 CMC 패드들은, 실리콘 중에 분산된 나선형 코일 상태의 카본마이크로 코일들로 형성될 수 있다.
상기 카본마이크로 코일들은, 전도성 재질과 고분자 재질의 혼합물로 형성되며, 상기 고분자 재질로는 실리콘 고무(Silicone rubber), 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(NBR : Acrylonitrile butadiene rubber), 폴리 디메틸실록산(PDMS: Poly-dimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 기판은, 탄성 고분자 절연체로 형성되며, 상기 탄성 고분자 절연체는 실리콘 고무(Silicone rubber), 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(NBR : Acrylonitrile butadiene rubber), 폴리 디메틸실록산(PDMS: Poly-dimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 간극의 내부는 상기 탄성 고분자 절연체 또는 에어로 형성될 수 있다.
상기 CMC 패드부의 상부에 형성되며, 상기 CMC 패드부와 상기 전극 레이어를 덮도록 형성되는 터치 레이어를 더 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 CMC 패드들은, 외부로부터 힘이 가해지는 경우, 상기 복수 개의 CMC 패드들 중 적어도 하나의 CMC 패드의 내부에 있는 카본마이크로 코일들의 형상이 변형되고, 상기 카본마이크로 코일들의 형상의 변화에 의해 변화되는 상기 적어도 하나의 CMC 패드의 저항 값 또는 정전용량 값을 측정하여 상기 힘의 정도를 측정할 수 있다.
상기 복수 개의 CMC 패드들은, 물체가 접근하는 경우, 상기 복수 개의 CMC 패드들 중 적어도 하나의 CMC 패드의 내부에 있는 카본마이크로 코일과 상기 전극 레이어가 형성하는 전자기장의 변화되고, 상기 전자기장의 변화에 의해 변화되는 상기 적어도 하나의 CMC 패드의 정전용량 값을 측정하여 상기 물체의 접근 정도를 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 로봇의 피부에 적용할 수 있는 얇고 유연한 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 외부로부터 가해지는 힘의 정도뿐만 아니라 물체의 근접 정도를 검출할 수 있는 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서의 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서 제조 방법을 나타내는 공정도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 레이어 및 CMC 패드부를 형성하는 예시도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 레이어 및 CMC 패드부를 형성하는 예시도.
도 5는 종래의 다축 힘 센서의 작동 원리를 나타내는 예시도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서의 작동 원리를 나타내는 예시도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서가 외부에서 가해지는 힘의 정도를 측정하는 원리를 나타내는 예시도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서가 물체의 접근 정도를 측정하는 원리를 나타내는 예시도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서가 근접하는 물체와의 거리에 따라 변화하는 정전용량의 값을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서의 접촉 센싱의 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서가 외부로부터 가해지는 힘의 크기에 따라 변화하는 정전용량의 값을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명에 따른 예시적 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예컨대, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)는 기판(110), 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2), CMC(carbon micro coils) 패드부(140: 141, 142) 및 터치 레이어(150)를 포함할 수 있다.
기판(110)은 유연성을 갖는 비전도성 재질로 형성될 수 있다.
더욱 상세하게는, 기판(110)은 탄성 고분자 절연체로 형성될 수 있다. 탄성 고분자 절연체는 실리콘 고무(Silicone rubber), 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(NBR : Acrylonitrile butadiene rubber), 폴리 디메틸실록산(PDMS: Poly-dimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)는 기판(110) 상부에 형성될 수 있다.
또한, 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)는 하나의 음극 전극(121)과 복수 개의 양극 전극들(122: 122-1, 122-2)을 포함하여 형성될 수 있다. 복수 개의 양극 전극들(122: 122-1, 122-2)은 제1 양극 전극(122-1), 제2 양극 전극(122-2) 및 제3 양극 전극(미도시)을 포함할 수 있다.
더욱 상세하게는, 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)의 하나의 음극 전극(121)은 기판(110)의 상면의 중심에 형성될 수 있다. 또한, 하나의 음극 전극(121)은 기판(110)의 상면의 중심에 원형 또는 삼각형의 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)의 복수 개의 양극 전극들(122: 122-1, 122-2)을 구성하는 제1 양극 전극(122-1), 제2 양극 전극(122-2) 및 제3 양극 전극(미도시)은 기판(110)의 상면의 중심에 형성된 하나의 음극 전극(121)을 기준으로 동일 평면상에 인접하여 형성되며, 각각 서로 소정의 간극(130)을 갖도록 형성될 수 있다.
더욱 상세하게는, 복수 개의 양극 전극들(122: 122-1, 122-2)은 세 개의 양극 전극들로 형성될 수 있으며, 세 개의 양극 전극들을 구성하는 제1 양극 전극(122-1), 제2 양극 전극(122-2) 및 제3 양극 전극(미도시) 사이에 형성되는 간극(130)은 하나의 음극 전극(121)을 중심으로 각각 120도와 동일한 간격으로 이격되도록 형성될 수 있다.
간극(130)은 하나의 음극 전극(121)과 복수 개의 양극 전극들(122: 122-1, 122-2) 사이와 복수 개의 양극 전극들(122: 122-1, 122-2)을 구성하는 제1 양극 전극(122-1), 제2 양극 전극(122-2) 및 제3 양극 전극(미도시) 사이에 형성될 수 있다. 복수 개의 양극 전극들(122: 122-1, 122-2)들 사이에 간극(130)은 하나의 음극 전극(121)을 기준으로 동일한 각도와 동일한 간격으로 이격되도록 형성될 수 있다.
더욱 상세하게는, 간극(130)은 하나의 음극 전극(121)을 중심으로 각각 120도 이격되도록 형성될 수 있다.
또한, 간극(130)은 기판(110)의 재질과 동일한 탄성 고분자 절연체로 형성되거나 에어(Air)로 채워지도록 형성될 수 있다.
CMC 패드부(140: 141, 142)는 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2) 상부에 형성되되, CMC 패드부(140: 141, 142)는 복수 개의 CMC 패드들로 구성될 수 있다. CMC 패드부(140: 141, 142)를 구성하는 복수 개의 CMC 패드들은 하나의 음극 전극(121)을 중심으로 동일한 각도와 동일한 간격으로 이격되도록 형성될 수 있다.
더욱 상세하게는, CMC 패드부(140: 141, 142)는 세 개의 CMC 패드들로 형성될 수 있으며, 세 개의 CMC 패드들을 구성하는 제1 CMC 패드(141), 제2 CMC 패드(142) 및 제3 CMC 패드(미도시)는 하나의 음극 전극(121)을 중심으로 각각 120도 이격되도록 형성될 수 있다.
또한, CMC 패드부(140: 141, 142)를 구성하는 복수 개의 CMC 패드들은 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)를 구성하는 하나의 음극 전극(121)의 일부와 복수 개의 양극 전극들(122-1, 122-2) 중 하나의 일부에 중첩되게 배치되어 각각 형성될 수 있다.
더욱 상세하게는, 더욱 상세하게는, CMC 패드부(140: 141, 142)는 세 개의 CMC 패드들로 형성될 수 있으며, 세 개의 CMC 패드들을 구성하는 제1 CMC 패드(141), 제2 CMC 패드(142) 및 제3 CMC 패드(미도시)는 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)를 구성하는 하나의 음극 전극(121)의 일부와 복수 개의 양극 전극들(122-1, 122-2) 중 하나의 일부에 중첩되게 배치되어 각각 형성될 수 있다.
또한, CMC 패드부(140: 141, 142)를 구성하는 복수 개의 CMC 패드들은 카본마이크로 코일들은 실리콘 중에 분산된 나선형 코일 상태의 카본마이크로 코일들로 형성될 수 있다. 카본마이크로 코일들은 전도성 재질과 고분자 재질의 혼합물로 형성될 수 있다. 고분자 재질로는 실리콘 고무(Silicone rubber), 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(NBR : Acrylonitrile butadiene rubber), 폴리 디메틸실록산(PDMS: Poly-dimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
터치 레이어(150)는 CMC 패드부(140: 141, 142)의 상부에 형성될 수 있다.
더욱 상세하게는, 터치 레이어(150)는 반구형으로 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)와 CMC 패드부(140: 141, 142)를 덮도록 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따라 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)는 외부로부터 가해지는 힘의 정도를 측정하는 다축 힘 센서로 동작할 수 있다.
더욱 상세하게는, 본 발명의 실시예에 따라 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)의 CMC 패드부(140: 141, 142)는 외부로부터 힘이 가해지는 경우, 외부로부터 가해지는 힘에 의해 CMC 패드부(140: 141, 142)를 구성하는 복수 개의 CMC 패드들 중 적어도 하나의 CMC 패드의 저항 값 또는 정전용량 값이 변화된다. 이는 적어도 하나의 CMC 패드의 내부에 있는 카본마이크로 코일들이 외부로부터 가해지는 힘에 의해 형상이 변화되고, 카본마이크로 코일들의 형상이 변화함에 따라 적어도 하나의 CMC 패드의 저항 값 또는 정전용량 값이 변화되기 때문이다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)는 외부로부터 가해지는 힘에 의해 변화되는 CMC 패드부(140: 141, 142)를 구성하는 복수 개의 CMC 패드들 중 적어도 하나의 CMC 패드의 저항 값 또는 정전용량 값을 측정함으로써 외부로부터 가해지는 힘의 정도를 측정할 수 있는 다축 힘 센서로 동작할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)는 외부로부터 접근하는 물체를 검출하는 근접 검출 센서로 동작할 수 있다.
더욱 상세하게는, 본 발명의 실시예에 따라 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)의 CMC 패드부(140: 141, 142)는 외부로부터 물체가 접근하는 경우, CMC 패드부(140: 141, 142)를 구성하는 복수 개의 CMC 패드들 중 적어도 하나의 CMC 패드의 내부에 있는 카본마이크로 코일들과 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)가 형성하는 전자기장이 변화된다. 이는 적어도 하나의 CMC 패드의 내부에 있는 카본마이크로 코일들과 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)가 형성하는 전자기장이 변화됨에 따라 CMC 패드부(140: 141, 142)를 구성하는 CMC 패드부(140: 141, 142)를 구성하는 복수 개의 CMC 패드들 중 적어도 하나의 CMC 패드의 정전용량 값이 변화되기 때문이다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)는 외부로부터 접근하는 물체에 의해 변화하는 CMC 패드부(140: 141, 142)를 구성하는 복수 개의 CMC 패드들 중 적어도 하나의 CMC 패드의 정전용량 값을 측정함으로써 물체의 접근 정도를 측정할 수 있는 근접 검출 센서로 동작할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서 제조 방법을 나타내는 공정도이다.
도 2(a)를 참조하면, 기판(110)이 준비될 수 있다, 기판(110)은 유연성을 갖는 비전도성 재질로 형성될 수 있다.
더욱 상세하게는, 기판(110)은 탄성 고분자 절연체 재질을 디스펜싱 머신을 이용하여 얇은 시트 형태로 제작될 수 있다. 탄성 고분자 절연체로는 실리콘 고무(Silicone rubber), 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(NBR : Acrylonitrile butadiene rubber), 폴리 디메틸실록산(PDMS: Poly-dimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그 후, 도 2(b)를 참조하면, 기판(110) 상부에 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)가 형성될 수 있다. 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)는 하나의 음극 전극(121)과 복수 개의 양극 전극들(122: 122-1, 122-2)을 포함할 수 있다. 기판(110) 상면의 중심에는 하나의 음극 전극(121)이 원형 또는 삼각형의 형상으로 형성될 수 있다. 하나의 음극 전극(121)을 기준으로 복수 개의 양극 전극들(122)인 제1 양극 전극(122-1), 제2 양극 전극(122-2) 및 제3 양극 전극(미도시)들이 각각 인접하여 소정의 간극을 갖도록 하나의 음극 전극(121)과 동일 평면상에 형성될 수 있다. 또한, 복수 개의 양극 전극들(122: 122-1, 122-2)은 하나의 음극 전극(121)을 중심으로 각각 120도와 동일한 간격으로 이격되도록 형성될 수 있다.
더욱 상세하게는, 기판(110)의 상부에 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)를 형성하기 위한 전극 패턴 형상의 마스크(미도시)를 배치할 수 있다. 그 후, 전극 레이어(120)를 형성시키기 위해 전극 패턴 형상의 마스크의 빈 공간에 전극 레이어(120)의 재질을 채워 경화시킬 수 있다.
그 후, 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)의 재질이 경화된 기판(110) 상부로부터 전극 패턴 형상의 마스크를 제거하여 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)를 형성할 수 있다. 간극(130)은 하나의 음극 전극(121)을 기준으로 서로 동일한 각도와 동일한 간격으로 이격되도록 형성될 수 있다.
그 후, 도 2(c)를 참조하면, 기판(110) 상에 형성된 간극(130) 내부는 기판(100)의 재질과 동일한 탄성 고분자 절연체로 형성되거나 에어(Air)로 채워질 수 있다.
그 후, 도 2(d)를 참조하면, CMC 패드부(140: 141, 142)를 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2) 상부에 형성할 수 있다. CMC 패드부(140: 141, 142)는 복수 개의 CMC 패드들을 포함할 수 있다.
더욱 상세하게는, 복수 개의 CMC 패드들이 세 개의 CMC 패드들인 제1 CMC 패드(141), 제2 CMC 패드(142) 및 제3 CMC 패드(미도시)로 형성될 수 있으며, 제1 CMC 패드(141), 제2 CMC 패드(142) 및 제3 CMC 패드(미도시)는 하나의 음극 전극(121)을 중심으로 각각 120도와 동일한 간격으로 이격되도록 형성될 수 있다.
또한, CMC 패드부(140: 141, 142)를 구성하는 제1 CMC 패드(141), 제2 CMC 패드(142) 및 제3 CMC 패드(미도시)는 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)를 구성하는 하나의 음극 전극(121)의 일부와 복수 개의 양극 전극들(122-1, 122-2) 중 하나의 일부를 중첩되게 배치되도록 각각 형성할 수 있다.
더욱 상세하게는, 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)의 상부에 CMC 패드부(140: 141, 142)를 형성하기 위한 CMC 패턴 형상의 마스크(미도시)를 배치될 수 있다. 그 후, CMC 패턴 형상의 마스크의 빈 공간에는 실리콘 중에 분산된 나선형 코일 상태의 카본마이크로 코일들로 형성된 CMC 패드부(140: 141, 142)의 재질로 채워질 수 있다. 카본마이크로 코일들은 전도성 재질과 고분자 재질의 혼합물로 형성될 수 있다. 고분자 재질로는 실리콘 고무(Silicone rubber), 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(NBR : Acrylonitrile butadiene rubber), 폴리 디메틸실록산(PDMS: Poly-dimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그 후, CMC 패드부(140: 141, 142)의 재질이 경화된 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)의 상부로부터 CMC 패턴 형상의 마스크가 제거되면, CMC 패드부(140: 141, 142)가 형성될 수 있다.
그 후, 도 2(e)를 참조하면, CMC 패드부(140: 141, 142) 상부에 터치 레이어(150)가 생성될 수 있다. 터치 레이어(150)는 CMC 패드부(140: 141, 142)와 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)를 덮도록 형성될 수 있다.
더욱 상세하게는, 터치 레이어(150)는 반구형의 형상으로 준비될 수 있다. 터치 레이어(150)는 CMC 패드부(140: 141, 142) 상부에 접착되는 방식으로 형성될 수 있다. 터치 레이어(150)는 유연성 및 탄성력을 갖는 실리콘 베이스의 재질로 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 레이어 및 CMC 레이어를 형성하는 예시도이다.
도 3(a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 레이어(320: 321, 322-1, 322-2, 322-3)는 하나의 음극 전극(321)과 복수 개의 양극 전극들(322-1, 322-2, 322-3)인 제1 양극 전극(322-1), 제2 양극 전극(322-2) 및 제3 양극 전극(322-3)을 포함하여 형성될 수 있다. 기판(110) 상면의 중심에는 하나의 음극 전극(321)이 원형의 형상으로 형성될 수 있다.
더욱 상세하게는, 복수 개의 양극 전극들(322-1, 322-2, 322-3)은 하나의 음극 전극(321)을 기준으로 각각 120도와 동일한 간격으로 이격되도록 소정의 간극(330)을 가지며 형성될 수 있다.
도 3(b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 CMC 패드부(340: 341, 342, 343)는 전극 레이어(320: 321, 322-1, 322-2, 322-3) 상부에 각각 형성될 수 있다. CMC 패드부(340: 341, 342, 343)는 복수 개의 CMC 패드들인 제1 CMC 패드(341), 제2 CMC 패드(342) 및 제3 CMC 패드(343)들을 포함하여 형성될 수 있다.
더욱 상세하게는, 복수 개의 CMC 패드들을 구성하는 제1 CMC 패드(341), 제2 CMC 패드(342) 및 제3 CMC 패드(343)는 전극 레이어(320: 321, 322-1, 322-2, 322-3)를 구성하는 하나의 음극 전극(321)의 일부와 복수 개의 양극 전극들(322-1, 322-2, 322-3) 중 하나의 일부를 중첩되게 배치되도록 각각 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 레이어 및 CMC 레이어를 형성하는 예시도이다.
도 4(a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 레이어(420: 421, 422-1, 422-2, 422-3)는 하나의 음극 전극(421)과 복수 개의 양극 전극들(422-1, 422-2, 422-3)인 제1 양극 전극(422-1), 제2 양극 전극(422-2) 및 제3 양극 전극(422-3)을 포함하여 형성될 수 있다. 기판(110) 상면의 중심에는 하나의 음극 전극(421)이 원형의 형상으로 형성될 수 있다.
더욱 상세하게는, 복수 개의 양극 전극들(422-1, 422-2, 422-3)은 하나의 음극 전극(421)을 기준으로 각각 120도와 동일한 간격으로 이격되도록 소정의 간극(330)을 가지며 형성될 수 있다.
도 4(b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 CMC 패드부(440: 441, 442, 443)는 제1 CMC 패드(441), 제2 CMC 패드(442) 및 제3 CMC 패드(443)들을 포함하여 형성될 수 있다.
더욱 상세하게는, CMC 패드부(440: 441, 442, 443)를 구성하는 제1 CMC 패드(441), 제2 CMC 패드(442) 및 제3 CMC 패드(443)들은 전극 레이어(420: 421, 422-1, 422-2, 422-3)를 구성하는 하나의 음극 전극(421)의 일부와 복수 개의 양극 전극들(422-1, 422-2, 422-3) 중 하나의 일부를 중첩되게 배치되도록 각각 형성될 수 있다.
도 5는 종래의 다축 힘 센서의 작동 원리를 나타내는 예시도이다.
도 5(a)를 참조하면, 종래의 다축 힘 센서의 구조는 제1 전극(Electrodes)(511) 및 제2 전극(512)을 포함하는 두 개의 전극 레이어(511, 512)와 제1 전극(511)과 제2 전극(512) 사이에 형성된 유전체(Dielectric)(520)로 구성된다. 종래의 다축 힘 센서에 외부로부터 힘이 가해지면, 제1 전극(511)과 제2 전극(512)의 전정용량의 값이 변화하게 되고, 변화된 정전용량 값을 측정함으로써 외부로부터 가해지는 힘을 측정할 수 있다.
도 5(b)를 참조하면, 종래의 다축 힘 센서는 외부로부터 접근하는 전도성의 물체(Conductive Object) (540)를 검출할 수 있다. 센싱 전극(530)과 전도성의 물체 간의 거리(d)가 변화되면, 변화된 거리(d)에 따라 도 5(c)에 도시된 바와 같이 종래의 다축 힘 센서의 정전용량 값은 변화된다. 즉, 종래의 다축 힘 센서의 정전용량 값은 센싱 전극(530)과 전도성의 물체(540) 간의 거리(d)가 가까울수록 증가하고, 멀어질수록 감소한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서의 작동 원리를 나타내는 예시도이다.
도 6(a)를 참조하면, 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)는 제1 전극(611) 및 제2 전극(612)을 포함하는 전극 레이어(611, 612)와 전극 레이어(611, 612) 상에 형성된 유전체(620)를 포함할 수 있다. 제1 전극(611)과 제2 전극(612)는 서로 동일 평면상에 배치되도록 형성될 수 있다. 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)는 외부로부터 힘이 가해지면, 제1 전극(611)과 제2 전극(612) 간의 정전용량 값이 변화되고, 변화된 정전용량 값을 측정함으로써 외부로부터 가해지는 힘을 측정할 수 있다.
도 6(b)를 참조하면, 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)는 외부로부터 접근하는 물체(Object) (640)를 검출할 수 있다. 즉, 종래의 다축 힘 센서는 근접하는 전도성의 물체만 검출할 수 있는 반면, 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)는 전도성이 아닌 물체도 검출할 수 있다.
더욱 상세하게는, 종래의 다축 힘 센서는 유전체(520)를 사이에 두고 서로 대칭된 제1 전극(511) 및 제2 전극(512) 간의 정전용량의 변화를 센싱하는 원리로 동작한다. 종래의 다축 힘 센서는 제1 전극(511) 및 제2 전극(512) 중 하나의 전극에 도전성의 물체가 근접하는 경우, 제1 전극(511) 및 제2 전극(512)이 형성하는 전자기장의 영역이 도전성 물체에 의해 변화되고, 전자기장의 변화에 따라 정전용량 값이 변화되며 정전용량 값의 변화를 검출하여 도전성 물체의 근접 정도를 검출할 수 있다.
한편, 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서의 제1 전극(631)과 제2 전극(632)은 동일 평면상에 소정 간격으로 이격되어 형성된다. 제1 전극(631)과 제2 전극(632)이 형성하는 전자기장의 영역이 센싱 영역으로 동작할 수 있다. 종래의 다축 힘 센서의 제1 전극(511) 및 제2 전극(512)들은 서로 대칭된 구조로 형성된 반면, 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서의 의 제1 전극(631)과 제2 전극(632)이 형성하는 전자기장의 영역이 물체에 의해 변화되고, 전자기장의 변화에 따라 변화된 정전용량 값을 검출하여 물체의 근접 정도를 검출할 수 있다. 동일 평면상에 형성된 제1 전극(631)과 제2 전극(632)가 형성하는 전자기장의 영역의 변화를 주는 주요 요인은 전극들(631, 632)과 물체 간의 거리이다. 동일 평면상에 형성된 전극들(631, 632)이 전자기장을 형성하므로 접근하는 도전성 물체가 아닌 물체가 근접해도 이를 검출할 수 있다. 전극들(631, 632)과 물체 간의 거리(d)가 변화되면, 변화된 거리(d)에 따라 도 6(c)에 도시된 바와 같이 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서의 정전용량 값은 변화된다. 즉, 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서의 정전용량 값은 전극들(631, 632)과 물체(640) 간의 거리(d)와 가까울수록 감소하고, 멀어질수록 증가한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서가 외부에서 가해지는 힘의 정도를 측정하는 원리를 나타내는 예시도이다.
도 7(a)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서는 외부로부터 힘이 가해지는 경우, 가해지는 힘에 의해 CMC 패드부(140)를 구성하는 복수 개의 CMC 패드들 중 적어도 하나의 CMC 패드의 내부에 있는 카본마이크로 코일(144)들은 형상이 변형된다.
도 7(b)를 참조하면, 적어도 하나의 CMC 패드의 내부에 있는 카본마이크로 코일(144)들의 형상의 변형에 따라 적어도 하나의 CMC 패드의 저항 값 또는 정전용량 값도 변화된다. 변화된 적어도 하나의 CMC 패드의 저항 값 또는 정전용량 값을 측정하여 외부로부터 가해지는 힘의 정도를 측정할 수 있다.
또한, 적어도 하나의 CMC 패드의 저항 값 또는 정전용량 값이 변화되면, 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서의 저항 값 또는 정전용량 값이 된다. 변화된 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서의 저항 값 또는 정전용량 값을 측정하여 외부로부터 가해지는 힘의 정도를 측정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서가 물체의 접근 정도를 측정하는 원리를 나타내는 예시도이다.
도 8(a)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)의 CMC 패드부(140)와 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)는 전자기장을 형성할 수 있다.
도 8(b)를 참조하면, 물체가 접근하는 경우, CMC 패드부(140)를 구성하는 복수 개의 CMC 패드들 중 적어도 하나의 CMC 패드의 내부에 있는 카본마이크로 코일(144)들과 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)가 형성하는 전자기장의 변화되고, 전자기장의 변화에 의해 변화되는 적어도 하나의 CMC 패드의 정전용량 값을 측정하여 물체의 접근 정도를 측정할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서가 근접하는 물체와의 거리에 따라 변화하는 정전용량의 값을 나타내는 그래프이다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서는 유연성과 비전도성 특성을 갖는 플라스틱 재질을 사용하여 형성된 기판과 기판 상부에 구리 재질로 형성된 전극 레이어를 포함하여 제조된 상태이다.
도 9(a)를 참조하면, X축은 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)와 물체 간의 거리 변화를 나타낸다. Y축은 물체가 근접하지 않은 상태의 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)의 정전용량 값을 변화되는 정전용량 값으로 나눈 값을 나타낸다. n은 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)의 전극 레이어(120) 상부에 CMC 패드부(140)가 형성되지 않은 상태를 나타내며, s는 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)의 전극 레이어(120) 상부에 실리콘 레이어가 형성된 상태를 나타낸다. CMC는 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)의 전극 레이어(120) 상부에 CMC 패드부(140)가 형성된 상태를 나타낸다. CMC 패드부(140)는 전체 중량 중 실리콘 중에 분산된 나선형 코일 상태의 카본마이크로 코일들의 중량비를 다르게 설정하여 형성될 수 있다. CMC 패드부(140)는 전체 중량 중 실리콘 중에 분산된 나선형 코일 상태의 카본마이크로 코일들의 중량비를 2%로 설정하여 형성된 상태이다.
전극 레이어(120) 상부에 CMC 패드부(140)가 형성된 상태가 전극 레이어(120) 상부에 CMC 패드부(140)가 형성되지 않은 상태(n) 및 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)의 전극 레이어(120) 상부에 실리콘 레이어가 형성된 상태(s)에 비해 변화되는 거리에 따라 센싱 민감도가 좋다는 것을 알 수 있다.
도 9(b)를 참조하면, X축은 전극 레이어(120)만 형성된 상태, 전극 레이어(120) 상부에 실리콘 레이어가 형성된 상태 및 전극 레이어(120) 상부에 CMC 패드부(140)가 형성된 상태를 나타낸다. 도 9(b)에서 사용된 CMC 패드부(140)는 전체 중량 중 실리콘 중에 분산된 나선형 코일 상태의 카본마이크로 코일들의 중량비를 2%로 설정하여 형성된 상태이다. Y축은 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)의 이득(Gain)을 나타낸다.
전극 레이어(120) 상부에 CMC 패드부(140)가 형성된 상태가 전극 레이어(120) 상부에 CMC 패드부(140)가 형성되지 않은 상태 및 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)의 전극 레이어(120) 상부에 실리콘 레이어가 형성된 상태에 비해 변화되는 거리에 따라 센싱 민감도가 좋다는 것을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서의 접촉 센싱의 데이터를 나타내는 그래프이며, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서가 외부로부터 가해지는 힘의 크기에 따라 변화하는 정전용량의 값을 나타내는 그래프이다.
도 10(a)은 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)의 전극 레이어(120) 상부에 실리콘 레이어가 형성된 상태이고, 도 10(b)는 전극 레이어(120) 상부에 실리콘 레이어가 형성된 상태 및 전극 레이어(120) 상부에 CMC 패드부(140)가 형성된 상태이다. CMC 패드부(140)는 전체 중량 중 실리콘 중에 분산된 나선형 코일 상태의 카본마이크로 코일들의 중량비를 8%로 설정되어 형성된 상태를 나타낸다.
도 10(a) 및 도 10(b)를 참조하면, 상부의 그래프의 X축은 외부로부터 가해지는 힘이 접촉된 시간(ms)을 나타내며, Y축은 외부로부터 가해지는 힘의 크기를 나타낸다. 하부의 그래프의 X축은 외부로부터 가해지는 힘이 접촉된 시간(ms)을 나타내며, Y축은 외부로부터 가해지는 힘에 따라 변화되는 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)의 정전용량의 값을 나타낸다.
8% 카본마이크로 코일들의 중량비로 형성된 상태가 전극 레이어(120) 상부에 실리콘 레이어가 형성된 상태에 비해 외부로부터 가해지는 힘에 따라 변화되는 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)의 정전용량 값의 크기가 더 크다는 것을 나타낸다.
도 11을 참조하면, 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)가 전극 레이어(120) 상부에 형성된 CMC 패드부(140)에 의해 외부로부터 가해지는 힘에 대한 정전용량의 변화가 더 크다. 즉, 전극 레이어(120) 상부에 CMC 패드부(140)가 형성된 상태가 전극 레이어(120) 상부에 실리콘 레이어가 형성된 상태에 비해 외부로부터 가해지는 힘에 따라 더 민감하게 정전용량 값이 변화되는 것을 알 수 있다.
일반적으로 본 명세서에서 사용된 용어는, 특히 청구항에서(예를 들어, 청구항의 본문) 일반적으로 "개방적인" 용어로 의도된다(예를 들어, "포함하는"은 "포함하나 이에 제한되지 않는"으로, "가지다"는 "적어도 그 이상으로 가지다"로, "포함하다"는 "포함하나 이에 제한되지 않는다"로 해석되어야 함). 도입된 청구항 기재에 대하여 특정한 개수가 의도되는 경우, 이러한 의도는 해당 청구항에서 명시적으로 기재되며, 이러한 기재가 부재하는 경우 이러한 의도는 존재하지 않는 것으로 이해된다.
본 발명의 특정 특징만이 본 명세서에서 도시되고 설명되었으며, 다양한 수정 및 변경이 당업자에 대하여 발생할 수 있다. 그러므로 청구항은 본 발명의 사상 내에 속하는 변경 및 수정을 포함하는 것으로 의도된다는 점이 이해된다.
100 : 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서 110 : 기판
120 : 전극 레이어 121 : 하나의 음극 전극
122 : 양극 전극들 122-1 : 제1 양극 전극
122-2 : 제2 양극 전극 122-3 : 제3 양극 전극
130 : 간극 140 : CMC 패드부
141 : 제1 CMC 패드 142 : 제2 CMC 패드
144 : 카본마이크로 코일 150 : 터치 레이어
300 : 일 실시예에 따른 전극 레이어 320 : 전극 레이어
321 : 원형 형상의 음극 전극 322 : 양극 전극들
322-1 : 제1 양극 전극 322-2 : 제2 양극 전극
322-3 : 제3 양극 전극 330 : 간극
340 : CMC 패드부 341 : 제1 CMC 패드
342 : 제2 CMC 패드 343 : 제3 CMC 패드
400 : 다른 실시예에 따른 전극 레이어 421 :삼각형 형상의 음극 전극
422 : 양극 전극들 422-1 : 제1 양극 전극
422-2 : 제2 양극 전극 422-3 : 제3 양극 전극
430 : 간극 440 : CMC 패드부
441 : 제1 CMC 패드 442 : 제2 CMC 패드
443 : 제3 CMC 패드 511 : 제1 전극
512 : 제2 전극 520 : 유전체
530 : 센싱 전극 540 : 전도성의 물체
611 : 제1 전극 612 : 제2 전극
620 : 유전체 631 : 제1 전극
632 : 제2 전극 640 : 물체

Claims (13)

  1. 유연성을 갖는 비전도성 재질로 형성된 기판;
    상기 기판 상부에 형성되며, 상기 기판의 상면의 중심에 형성되는 하나의 음극 전극, 상기 음극 전극을 기준으로 각각 인접하여 소정의 간극을 갖도록 형성되는 복수 개의 양극 전극들로 구성되는 전극 레이어; 및
    상기 전극 레이어 상부에 형성되며, 상기 음극 전극의 일부와 상기 복수 개의 양극 전극들 중 하나의 일부에 중첩되게 배치되는 복수 개의 CMC 패드들로 구성되는 CMC 패드부;
    를 포함하고,
    상기 복수 개의 CMC 패드들은 실리콘 중에 분산된 나선형 코일 상태의 카본마이크로 코일들로 형성되며,
    상기 복수 개의 CMC 패드들은 물체가 접근하는 경우, 상기 복수 개의 CMC 패드들 중 적어도 하나의 CMC 패드의 내부에 있는 카본마이크로 코일과 상기 전극 레이어가 형성하는 전자기장의 변화되고, 상기 전자기장의 변화에 의해 변화되는 상기 적어도 하나의 CMC 패드의 정전용량 값을 측정하여 상기 물체의 접근 정도를 측정하는 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 양극 전극들 사이에 상기 간극은 상기 하나의 음극 전극을 기준으로 동일한 각도와 동일한 간격으로 이격되어 있는 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 복수 개의 양극 전극들은,
    세 개의 양극 전극들로 형성되며, 상기 세 개의 양극 전극들 사이에 형성되는 간극은 상기 하나의 음극 전극을 중심으로 각각 120도 이격되도록 형성되는 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 복수 개의 CMC 패드들은,
    상기 하나의 음극 전극을 중심으로 동일한 각도와 동일한 간격으로 이격되어 있는 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 복수 개의 CMC 패드들은,
    세 개의 CMC 패드들로 형성되며, 상기 세 개의 CMC 패드들은 상기 하나의 음극 전극을 중심으로 각각 120도 이격되도록 형성되는 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 하나의 음극 전극은,
    원형 또는 삼각형의 형상으로 형성되는 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 복수 개의 양극 전극들은,
    상기 하나의 음극 전극과 동일 평면상에 형성되는 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서.
  8. 삭제
  9. 제1 항에 있어서, 상기 카본마이크로 코일들은,
    전도성 재질과 고분자 재질의 혼합물로 형성되며, 상기 고분자 재질로는 실리콘 고무(Silicone rubber), 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(NBR : Acrylonitrile butadiene rubber), 폴리 디메틸실록산(PDMS: Poly-dimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 포함하는 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서.
  10. 제1 항에 있어서, 상기 기판은,
    탄성 고분자 절연체로 형성되며, 상기 탄성 고분자 절연체는 실리콘 고무(Silicone rubber), 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(NBR : Acrylonitrile butadiene rubber), 폴리 디메틸실록산(PDMS: Poly-dimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 간극의 내부는 상기 탄성 고분자 절연체 또는 에어로 형성되는 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 CMC 패드부의 상부에 형성되며, 상기 CMC 패드부와 상기 전극 레이어를 덮도록 형성되는 터치 레이어를 더 포함하는 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서.
  12. 제1 항에 있어서, 상기 복수 개의 CMC 패드들은,
    외부로부터 힘이 가해지는 경우, 상기 복수 개의 CMC 패드들 중 적어도 하나의 CMC 패드의 내부에 있는 카본마이크로 코일들의 형상이 변형되고, 상기 카본마이크로 코일들의 형상의 변화에 의해 변화되는 상기 적어도 하나의 CMC 패드의 저항 값 또는 정전용량 값을 측정하여 상기 힘의 정도를 측정하는 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서.
  13. 삭제
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