KR101872433B1 - 온도보상 가능한 힘센서 - Google Patents

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구광민
허필원
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(주)아이투에이시스템즈
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Abstract

본 발명은 온도보상 가능한 힘센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 탄성체의 변형량을 측정하는 제1 센서, 및 상기 제1 센서와 동일한 제2 센서를 온도특성을 보상하기 위한 센서로 구비함으로써, 온도 변화에 강인한 단축 및 다축 힘센서를 구현할 수 있는 온도보상 가능한 힘센서를 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

온도보상 가능한 힘센서{FORCE SENSOR CAPABLE OF TEMPERATURE COMPENSATION}
본 발명은 온도보상 가능한 힘센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 탄성체의 변형량을 측정하는 제1 센서, 및 상기 제1 센서와 동일한 제2 센서를 온도특성을 보상하기 위한 센서로 구비함으로써, 온도 변화에 강인한 단축 및 다축 힘센서를 구현할 수 있는 온도보상 가능한 힘센서에 관한 것이다.
일반적으로, 탄성체 형상의 변형량을 측정하는 방법에 따라 분류하면, 저항방식(Force Sensing Resistor), 압력측정방식, 스트레인게이지 방식 등이 있다. 기존 방식을 성능에 따라 정리하면 하기의 표 1과 같다.
구분 저항 방식 스트레인게이지
방식 		압력 측정
방식 		정전 방식
두께 및 크기 박형 구조물의 크기로 결정 튜브 직경에 따라 달라짐 박형
전압 증폭기 필요 유무 필요 없음 필요 필요 없음 필요 없음
반응시간 느림 빠름 느림 빠름
정확성 크게
떨어짐		 3% 이내 떨어짐 5% 이내
시간에 따른
반복성		 40%
/시간		 - - -
내구성 취약함 좋음 유출가능성 있음 좋음
저항방식은 얇은 필름형태로 유연하여 소형으로 설계할 수 있지만 용량이 작고, 내구성이 떨어지며, 반응시간이 느리기 때문에 크기 정보를 사용하기보다 활성화/비활성화 정도의 정보 획득을 위한 스위치 정도로 활용되고 있다.
압력센서는 그 센서의 측정 범위 내에서는 선형적이고, 측정 범위에 따라 오차율이 크게 변하지 않지만, 부하되는 힘의 위치에 따라 반응 시간(response time)이 불규칙하며 압력을 힘으로 환산할 수 있지만 정확한 측정값을 얻기에는 한계가 있다.
일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 스트레인게이지 방식은 하중에 의하여 변형된 구조물의 변형율을 감지하여 전기적 신호를 변화시킴으로서 하중을 표현한다.
구조물에 하중이 가해지면 그 구조물이 변형을 일으키며, 이때 생긴 구조물의 변형율이 왜곡됨이 없이 스트레인게이지에 전달되어야 하는데, 스트레인게이지를 부착한 물질인 본드가 상기 구조물의 변형율을 왜곡시켜서 스트레인게이지에 전달한다. 왜냐하면, 부착시 사용된 본드는 고분자 물질로서 불균질한 비정질(Amorphous)조직 구조를 가지고 있기 때문에 기계적 특성이 균일하지 못하며, 기계적 특성을 예측하기가 곤란한 특성을 가지고 있기 때문이다.
또한, 제작 공정상에서도 구조물과 스트레인게이지 사이의 본드층을 균일한 두께로 만들기가 곤란하며, 본드를 굳히는 과정에서도 균일한 특성을 만들기가 곤란하고, 본드층을 확대해 보면 그 안에 많은 기포들이 있으며, 이러한 기포들 또한 기계적 특성을 저하시키는 문제점이 있다.
한편, 스트레인게이지의 가장 중요한 저항 물질은 가느다란 선의 형태(Grid)로 만들어지는데, 그 단면형상이 그리드 전체에 균일하지 못하여 구조물의 인장-압축 변형에 따라 균일한 인장-압축 변형을 하지 못함으로서 그에 따라 변화하는 전기적 신호(인가한 전압에 따른 출력전압)가 균일하지 못한 단점이 있다.
힘센서는 힘에 의한 변형량을 측정하여 힘 값을 산출하는 방식으로, 변형량 측정을 위해 다양한 방법이 사용되고 있다. 힘센서 설계시, 다양한 방법에 따라서 측정범위가 각각 정해져 있기 때문에 탄성체의 변형량이 측정범위 수준에 맞도록 탄성체도 설계하고 있다.
그런데, 힘센서의 용량이 작아지면 탄성체의 강성이 작아져야 민감하게 변형량을 측정할 수 있다. 특히 스트레인게이지 방식에 비해 큰 변형량을 측정하는 광학식이나 정전식의 경우 큰 변형량을 갖도록 하기 위해 낮은 강성을 갖도록 탄성체를 설계해야 하며, 이로 인해 힘센서의 최소 용량이 제한되게 된다.
또한, 고용량 센서를 제작할 경우에도 탄성체의 변형량을 측정범위 수준으로 크게 발생시켜야 하기 때문에 낮은 강성을 갖도록 탄성체를 설계한다. 이로 인해 큰 강성이 필요한 곳에서는 사용할 수 없는 문제점이 있다.
한편, 힘센서는 응용분야가 굉장히 다양하다. 서비스 로봇 분야에서는 사람과의 인터렉션을 위한 힘 피드백 방법이 사용되고 있다. 접촉 힘을 감지하여 그에 해당하는 로봇의 반응 또는 안정성 구현 및 컴플라이언스 구현에 이용하고 있다. 또한 최근 건축 분야에서는 스마트 건축 시스템 구축을 위해 하중을 모니터링할 수 있는 힘센서(또는 로드셀) 등을 교량이나 건물 등에 배치하고 있다. 또한 제품의 설계나 평가에 있어서 마찰력 등을 측정하여 인체공학적인 설계나 효율적인 시스템 구축을 위한 설계분야에도 응용이 가능하다.
따라서, 힘센서의 수요가 점차 확산됨에 따라 외부의 다양한 환경요소에 대응하기 위한 힘센서의 출력 신호처리 기술에 대한 필요 역시 증가하고 있다. 특히, 헬스케어, 레저, 국방, 보안 산업과 같이 실내가 아닌 실외에서 사용되는 힘센서에는 온도에 대한 특성을 보상하는 기술이 요구된다.
한국등록특허 [10-0832411]에는 센서의 응답을 검출하고 보상하는 방법 및 시스템, 센서 모듈 및 그 조정 방법, 및 집적회로가 개시되어 있다.
한국등록특허 [10-1179169]에는 한 쌍의 변형률계를 포함하고, 외력의 영향을 받는 외력 측정부 및 외력이 가해지지 않는 부분에 형성되고, 다른 한 쌍의 변형률계를 포함하는 온도 보상부를 포함하고, 한 쌍의 변형률계와 다른 한 쌍의 변형률계로 휘트스톤 브리지 회로를 구성하여 외력에 의한 변형량 측정시에 온도를 보상하는 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀이 개시되어 있다.
한국등록특허 [10-0832411](등록일자: 2008. 05. 20) 한국등록특허 [10-1179169](등록일자: 2012. 08. 28)
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제를 해결하기 위해, 안출된 것으로, 탄성체의 변형량을 측정하는 제1 센서, 및 상기 제1 센서와 동일한 제2 센서를 온도특성을 보상하기 위한 센서로 구비함으로써, 온도 변화에 강인한 단축 및 다축 힘센서를 구현할 수 있는 온도보상 가능한 힘센서를 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명의 실 시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 온도보상 가능한 힘센서에 있어서, 베이스(100); 상기 베이스 상에 하우징 형태로 위치하고 피계량물에 의해 하중이 가해질 때 하방으로 변형되는 탄성구조체(110); 상기 베이스 상부에 위치하여 상기 탄성구조체까지의 거리에 대응하는 전기신호를 발생시키는 제1 센서(140); 상기 베이스의 상면과 상기 제1 센서의 하면 사이에 위치하는 회로기판(150); 상기 회로기판 상에 위치하여 항상 변하지 않는 거리에 대응하는 전기신호를 발생시키는 제2 센서(170); 상기 제2 센서의 상부와 마주하도록 상기 탄성구조체의 내측면에 부착된 기준판재(180); 및 상기 제1 센서 및 상기 제2 센서로부터 출력되는 신호를 처리하여 온도특성에 따른 영향을 상쇄하는 처리부(300)를 포함하고, 상기 처리부는, 상기 힘센서에 가해지는 힘을 하기 <수학식 8>를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 한다.
<수학식 8>
V제1센서 = f1(d,T)
V제2센서 = f2(T)
F = f3(V제1센서, V제2센서) = a(f1 - f2) + b
= a{(a1V제1센서 + b1) - (a2V제2센서 + b2)} + b
= a*a1V제1센서 - a*a2V제2센서 + a*b1 - a*b2 + b
= a1'V제1센서 - a2'V제2센서 + b'
(여기서, V제1센서는 변형량(d)와 온도(T)에 따라 달라지는 상기 제1 센서의 출력 전압, V제2센서는 온도(T)에 따라 달라지는 상기 제2 센서의 출력 전압, f1은 상기 제1 센서에 대한 전압 추정식, f2는 상기 제2 센서에 대한 전압 추정식, f3(V제1센서, V제2센서)는 두 개의 센서를 이용한 힘 추정식, a, a1, a2, a1', a2',b, b1, b2 및 b'은 상수)
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 온도보상 가능한 힘센서에 있어서, 베이스(100); 상기 베이스 상에 하우징 형태로 위치하고 피계량물에 의해 하중이 가해질 때 하방으로 변형되는 탄성구조체(110); 상기 탄성구조체의 상면을 관통하면서 결합되는 조절부재(120); 상기 탄성구조체 하부에 위치하고, 상기 조절부재와 접촉하여 상기 조절부재를 통해 전달되는 상기 탄성구조체의 변위를 증폭시키는 지레(130); 상기 베이스 상부에 위치하여 상기 지레까지의 거리에 대응하는 전기신호를 발생시키는 제1 센서(140); 상기 베이스의 상면과 상기 제1 센서의 하면 사이에 위치하는 회로기판(150); 상기 회로기판 상에 위치하여 항상 변하지 않는 거리에 대응하는 전기신호를 발생시키는 제2 센서(170); 상기 제2 센서의 상부와 마주하도록 상기 탄성구조체의 내측면에 부착된 기준판재(180); 상기 제1 센서 및 상기 제2 센서로부터 출력되는 신호를 처리하여 온도특성에 따른 영향을 상쇄하는 처리부(300)를 포함하고, 상기 처리부는, 상기 힘센서에 가해지는 힘을 하기 <수학식 9>를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 한다.
<수학식 9>
V제1센서 = f1(d,T)
V제2센서 = f2(T)
F = f3(V제1센서, V제2센서) = a(f1 - f2) + b
= a{(a1V제1센서 + b1) - (a2V제2센서 + b2)} + b
= a*a1V제1센서 - a*a2V제2센서 + a*b1 - a*b2 + b
= a1'V제1센서 - a2'V제2센서 + b'
(여기서, V제1센서는 변형량(d)와 온도(T)에 따라 달라지는 상기 제1 센서의 출력 전압, V제2센서는 온도(T)에 따라 달라지는 상기 제2 센서의 출력 전압, f1은 상기 제1 센서에 대한 전압 추정식, f2는 상기 제2 센서에 대한 전압 추정식, f3(V제1센서, V제2센서)는 두 개의 센서를 이용한 힘 추정식, a, a1, a2, a1', a2',b, b1, b2 및 b'은 상수)
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 온도보상 가능한 힘센서에 있어서, 베이스(100); 상기 베이스 상에 하우징 형태로 위치하고 피계량물에 의해 하중이 가해질 때 하방으로 변형되는 탄성구조체(110); 상기 탄성구조체의 상면을 관통하면서 결합되는 조절부재(120); 상기 탄성구조체 하부에 위치하고, 상기 조절부재와 접촉하여 상기 조절부재를 통해 전달되는 상기 탄성구조체의 변위를 증폭시키는 지레(130); 상기 베이스 상부에 위치하여 상기 지레까지의 거리에 대응하는 전기신호를 발생시키는 제1 센서(140); 상기 베이스의 상면과 상기 제1 센서의 하면 사이에 위치하는 회로기판(150); 상기 지레의 상부에 상기 제1 센서와 마주하도록 상기 탄성구조체의 하면에 부착되어 상기 지레까지의 거리에 대응하는 전기신호를 발생시키는 제2 센서(500); 및 상기 제1 센서 및 상기 제2 센서로부터 출력되는 신호를 처리하여 온도특성에 따른 영향을 상쇄하는 처리부(510)를 포함하고, 상기 처리부(510)는, 상기 힘센서에 가해지는 힘을 하기 <수학식 10>을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 한다.
<수학식 10>
V제1센서 = f1(d1, T)
V제2센서 = f2(d4, T)
F = f4(V제1센서, V제2센서) = a(f1 - f2) + b
= a{(a1V제1센서 + b1) - (a2V제2센서 + b2)} + b
= a*a1V제1센서 - a*a2V제2센서 + a*b1 - a*b2 + b
= a1'V제1센서 - a2'V제2센서 + b'
(여기서, V제1센서는 변형량(d1)와 온도(T)에 따라 달라지는 상기 제1 센서의 출력 전압, V제2센서는 변형량(d4)와 온도(T)에 따라 달라지는 상기 제2 센서의 출력 전압, f1은 상기 제1 센서에 대한 전압 추정식이고, f2는 상기 제2 센서에 대한 전압 추정식이고, f4(V제1센서, V제2센서)는 두 개의 센서를 이용한 힘 추정식이고, a, a1, a2, a1', a2',b, b1, b2 및 b'은 상수)
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 온도보상 가능한 힘센서에 있어서, 외부프레임(600a), 중간프레임(600b) 및 내부프레임(600c)이 연결되는 강체(600); 상기 내부프레임의 x축 변형에 따라 그에 대응하는 전압값을 출력하는 제1 x축 센서(610) 및 제2 x축 센서(620); 상기 내부프레임의 y축 변형에 따라 그에 대응하는 전압값을 출력하는 제1 y축 센서(630) 및 제2 y축 센서(640); 상기 내부프레임과 상기 중간프레임을 x축으로 연결하는 제1 탄성체(650) 및 제2 탄성체(660); 상기 중간프레임과 상기 외부프레임을 y축으로 연결하는 제3 탄성체(670) 및 제4 탄성체(680); 및 상기 제1 x축 센서, 제2 x축 센서, 제1 y축 센서 및 제2 y축 센서로부터 출력되는 신호를 처리하여 온도특성에 따른 영향을 상쇄하는 처리부를 포함하고, 상기 제1 x축 센서 및 상기 제2 x축 센서는, x축 상에 서로 마주보도록 상기 외부프레임의 내측에 구비되고, 상기 제1 y축 센서 및 상기 제2 y축 센서는, y축 상에 서로 마주보도록 상기 중간프레임 내측에 구비되는 것을 특징으로 하고, 상기 내부프레임의 왼쪽에 구비된 상기 제1 탄성체와 상기 내부프레임의 오른쪽에 구비된 상기 제2 탄성체를 통해 상기 내부프레임과 상기 중간프레임이 연결되어 있고, 상기 중간프레임의 상부에 구비된 상기 제3 탄성체와 상기 중간프레임의 하부에 구비된 상기 제4 탄성체를 통해 상기 중간프레임과 상기 외부프레임이 연결된 것을 특징으로 하고, 상기 처리부는, 상기 힘센서에 가해지는 힘을 하기 <수학식 11> 및 <수학식 12>를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 한다.
<수학식 11>
FX = aX1VX1 - aX2VX2 + bX
(여기서, FX 는 x축으로 가해지는 힘이고, aX1은 상기 제1 x축 센서의 출력전압과 힘 사이의 기울기이고, VX1 은 상기 제1 x축 센서의 출력전압이고, aX2 는 상기 제2 x축 센서의 출력전압과 힘 사이의 기울기이고, VX2 는 상기 제2 x축 센서의 출력전압이고, bX 은 초기상태에서 FX 가 0이 되도록 하는 x축 오프셋),
<수학식 12>
FY = aY1VY1 - aY2VY2 + bY
(여기서, FY 는 y축으로 가해지는 힘이고, aY1은 상기 제1 y축 센서의 출력전압과 힘 사이의 기울기이고, VY1 은 상기 제1 y축 센서의 출력전압이고, aY2 는 상기 제2 y축 센서 출력전압과 힘 사이의 기울기이고, VY2 는 상기 제2 y축 센서의 출력전압이고, bY 는 초기상태에서 FY 가 0이 되도록 하는 y축 오프셋)
본 발명의 일 실시예에 따른 온도보상 가능한 힘센서에 의하면, 탄성체의 변형량을 측정하는 제1 센서, 및 상기 제1 센서와 동일한 제2 센서를 온도특성을 보상하기 위한 센서로 구비함으로써, 온도 변화에 강인한 단축 및 다축 힘센서를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도보상 가능한 힘센서에 의하면, 온도 변화에 강인한 단축 및 다축 힘센서는 서비스 로봇 산업, 산업용 로봇을 사용하는 기업, 스마트 건축물을 위한 연구기관 또는 건축업체. 공기저항을 측정하는 비행기 및 발사체 연구기관 및 업체, 제품 설계 및 평가, 센서 로봇 등의 기술이 적용되고 있는 방위산업체 등에서 사용할 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도보상 가능한 힘센서에 의하면, 간단한 구조와 저렴한 가격, 이미 상용화된 광센서나 인터럽터를 이용해서 쉽게 구현할 수 있고 가공성도 좋기 때문에 서비스 로봇이 점차 증가하고 있는 현실에서 매우 다양한 응용사례를 기대할 수 있고 시장규모가 크다. 또한 센서 용량이 크기 때문에 스마트 건축물 분야 등에서도 사용이 가능한 효과가 있다.
도 1a는 일반적인 주위 온도(Ambient temperature)에 따른 상대적인 광전류(Relative Light Current)의 그래프.
도 1b는 일반적인 광학센서 및 온도센서의 시간에 따른 출력전압을 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 온도보상 가능한 힘센서의 구성도.
도 3a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 온도보상 가능한 힘센서의 구성도.
도 3b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 온도보상 가능한 힘센서의 동작 방식을 보여주는 설명도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 제1 센서 및 제2 센서의 출력전압 및 온도 보상된 출력값을 도시한 그래프.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 온도보상 가능한 힘센서의 구성도.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 온도보상 가능한 힘센서의 구성도.
도 7 및 8은 본 발명의 기술적 사상의 실시예들에 의한 전자 시스템들을 개념적으로 도시한 구성도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 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 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
도 1a는 일반적인 주위 온도(Ambient temperature)에 따른 상대적인 광전류(Relative Light Current)의 그래프이다.
도 1a 에 도시된 그래프에 따르면, 0℃ 이전까지는 상대적 광전류는 증가하다가, 0℃ 가 넘어가면서 감소하는 경향을 보인다.
상대적인 광전류 값은 광학센서(광센서)의 출력전압에 영향을 준다. 따라서, 온도가 올라가면 일반적으로 광센서의 출력전압은 낮아지게 된다. 한편, 회로 설계에 따라 출력전압이 높아지도록 할 수도 있다.
광센서 기반의 힘센서는 전압값과 힘 사이의 관계를 일반적으로 선형관계 또는 다항식 등을 적용해 추정하고 있다. 즉, 힘센서의 전압값과 힘 사이의 관계는 하기 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.
<수학식 1>
F = aV + b = a(V-Vi)
여기서, F는 힘, a는 전압과 힘 사이의 기울기, V는 힘센서의 전압값, Vi는 무부하시 전압 값이다. b는 힘(F) - 전압(V)을 x, y 그래프로 나타냈을 때 y 절편에 해당하며, 무부하시에 F = 0이 되어야 하므로 일반적으로 -a*Vi 로 결정된다. ( 0 = a*Vi+b, 즉, b = -a*Vi )
즉, 기존에는 광센서 기반 힘센서에서 전압과 힘 사이의 관계만을 선형적으로 함수화하여 사용했기 때문에 온도에 대해서 출력전압이 달라질 경우 측정 오차가 발생하게 된다.
일반적인 압력센서 또는 힘센서의 온도보상 회로에서는 힘 추정식(f)에 온도 값을 반영하여 온도에 따른 오차를 보정하였다. 이를 하기 <수학식 2>와 같이 나타낼 수 있다.
<수학식 2>
F = f(V, T) = a(T)*(V-Vi) + b(T)
여기서, F는 힘, V는 힘센서의 전압값, T는 온도, f(V, T)는 힘센서의 전압값 및 온도에 대한 힘 추정식이다.
도 1b는 일반적인 광학센서 및 온도센서의 시간에 따른 출력전압을 나타낸 그래프이다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 30℃의 온도로 부하시, 시간에 따른 반응 속도가 다르다. 즉, 온도센서와 광학센서의 온도에 대한 반응 시간을 포함하는 온도에 따른 특성이 다르기 때문에, <수학식 2>와 같이 단순히 온도에 대한 함수로 힘 추정식(f)을 근사하더라도 오차는 발생할 수 있다.
즉, 온도센서가 구비된 압력센서에서 온도를 보상하기 위해 온도만을 고려하는 경우, 온도가 일정하게 유지되는 구간(static)이 아닌 온도가 계속해서 변하는 (dynamic 또는 transient) 경우에 대해서는 대응할 수 없는 단점이 있다.
상기 온도에 따른 특성 차이를 해결하기 위해서는 온도센서와 광학센서의 전압 사이에 대한 관계 규명이 필요하다. 이에, 힘센서 및 온도센서의 전압값과 힘 사이의 관계에 있어서 변화율까지 고려하여 하기 <수학식 3>과 같이 나타낼 수 있다.
<수학식 3>
F = ft(V,T,t) = a(T,t)*(V-Vi) + b(T,t)
여기서, F는 힘,V는 힘센서의 전압값, T는 온도, t는 시간, ft(V, T, t)는 힘센서의 전압값, 온도 및 시간에 대한 힘 추정식이다.
그러나, 상기 <수학식 3>은 센서마다 차이가 있을 수 있으며, 시간특성을 고려한 a(T,t)와 b(T,t)를 함수화하는 것이 어렵고 룩업 테이블 등으로 구현한다고 하더라도 모든 온도와 시간 특성의 조건에 따른 a, b 값을 구현하기 어렵다. 따라서, 동일한 변위센서(광센서)를 온도센서로 사용함으로써, 힘센서의 전압값과 힘 사이의 관계는 하기 <수학식 4>와 같이 나타낼 수 있다. 복수의 동일한 센서를 사용하면 센서의 출력전압의 온도변화에 대한 시간특성을 고려하지 않아도 되기 때문이다.
<수학식 4>
V제1센서 = f1(d,T)
V제2센서 = f2(T)
F = f3(V제1센서, V제2센서) = a(f1 - f2) + b
= a{(a1V제1센서 + b1) - (a2V제2센서 + b2)} + b
= a*a1V제1센서 - a*a2V제2센서 + a*b1 - a*b2 + b
= a1'V제1센서 - a2'V제2센서 + b'
여기서, F는 <수학식 1>에 기반한 힘 추정식, V제1센서는 변형량(d)와 온도(T)에 따라 달라지는 제1 센서의 출력 전압, V제2센서는 온도(T)에 따라 달라지는 제2 센서의 출력 전압, f1은 제1 센서에 대한 전압 추정식이고, f2는 제2 센서에 대한 전압 추정식이고, f3(V제1센서, V제2센서)는 두 개의 센서를 이용한 힘 추정식이고, a, a1, a2, a1', a2',b, b1, b2 및 b'은 상수이다. 여기서, 제1 센서와 제2 센서의 온도에 대한 동적 특성이 같으므로, f1 과 f2 의 차이(difference)는 온도특성에 따른 영향이 상쇄된다.
상기 힘 추정식(f3)은 힘의 크기 및 온도 특성에 따라 변하는 상기 제1 센서(140)에서 출력되는 전압 및 온도특성에 따라 변하는 상기 제2 센서(170)에서 출력되는 전압을 분석한 후 결정된다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 온도보상 가능한 힘센서의 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 온도보상 가능한 힘센서는, 베이스(100), 상기 베이스(100) 상에 하우징 형태로 위치하고 피계량물에 의해 하중이 가해질 때 하방으로 변형되는 탄성구조체(110), 상기 탄성구조체(110)까지의 거리를 감지하여 감지한 거리에 대응하는 전기적 신호를 발생시키는 제1 센서(140), 상기 회로기판(150) 상에 위치하여 항상 변하지 않는 온도에 대응하는 전기신호를 발생시키는 제2 센서(170), 상기 제2 센서(170)의 상부와 마주하도록 상기 탄성구조체(110)의 내측면에 부착된 기준판재(180), 상기 제1 센서(140) 및 상기 제2 센서(170)로부터 출력되는 신호를 처리하는 처리부(300), 및 상기 베이스(100)의 상면과 상기 제1 센서(140) 및 상기 제2 센서(170)의 하면 사이에 위치하는 회로기판(150)을 포함한다.
상기 제1 센서(140) 및 상기 제2 센서(170)는, 광학센서, 근접센서 또는 정전센서 등 거리를 감지하는데 사용될 수 있는 모든 센서를 포함한다. 또한, 상기 탄성구조체(110)의 하면에는 상기 제 1 센서(140)와 마주하는 면에 반사판(미도시)을 더 구비될 수 있다.
도 3a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 온도보상 가능한 힘센서의 구성도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 온도보상 가능한 힘센서는, 베이스(100), 상기 베이스(100) 상에 하우징 형태로 위치하고 피계량물에 의해 하중이 가해질 때 하방으로 변형되는 탄성구조체(110), 상기 탄성구조체(110)의 상면을 관통하면서 결합되는 조절부재(120), 상기 탄성구조체(110) 하부에 위치하고, 상기 조절부재(120)와 접촉하여 상기 조절부재(120)를 통해 전달되는 상기 탄성구조체(110)의 변위를 증폭시키는 변위증폭용 지레(130), 상기 베이스(100) 상부에 위치하여 상기 변위증폭용 지레(130)까지의 거리(d1)를 감지하여 감지한 거리에 대응하는 전기적 신호를 발생시키는 제1 센서(140), 상기 회로기판(150) 상에 위치하여 항상 변하지 않는 거리에 대응하는 전기신호를 발생시키는 제2 센서(170), 상기 제2 센서(170)의 상부와 마주하도록 상기 탄성구조체(110)의 내측면에 부착된 기준판재(180), 상기 제1 센서(140) 및 상기 제2 센서(170)로부터 출력되는 신호를 처리하는 처리부(300), 및 상기 베이스(100)의 상면과 상기 제1 센서(140) 및 상기 제2 센서(170)의 하면 사이에 위치하는 회로기판(150)을 포함한다.
상기 조절부재(120)는 상기 탄성구조체(110)에 나사 결합되어 있으며, 상기 변위증폭용 지레(130)의 초기 위치를 조절할 수 있다. 즉, 조절부재(120)를 회전시켜 변위증폭용 지레(130)의 초기 높낮이(센서와 변위증폭용 지레와의 거리 초기값)를 조절할 수 있다.
상기 제1 센서(140) 및 상기 제2센서(170)는, 광학센서, 근접센서 또는 정전센서 등 거리를 감지하는데 사용될 수 있는 모든 센서를 포함한다. 예를 들어, 상기 제1 센서(140) 및 상기 제2 센서(170)는, 반사형 광센서가 될 수 있으며, 상기 변위증폭용 지레(130)는 상기 반사형 광센서와 마주하는 면에 반사판(160)을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 상기 기준판재(180)는 상기 반사형 광센서와 마주하는 면에 반사판(미도시)을 포함하여 구성될 수 있다.
도 3b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 온도보상 가능한 힘센서의 동작 방식을 보여주는 설명도이다.
도 3b를 참고하면, 탄성구조체(110)는 피계량물에 의해 하중(외력)이 가해질 때 하방으로 변형된다. 도면에서, 외력이 없을 때의 탄성구조체(110)의 원래 위치는 점선으로 표시되어 있다.
상기 탄성구조체(110)가 하방으로 변형되면, 조절부재(120)는 하부로 내려가게 되어 변위증폭용 지레(130)를 누르게 되고, 상기 변위증폭용 지레(130)와 상기 제1 센서(140) 사이의 거리(d2)가 초기상태 거리(d1)보다 짧아지게 된다.
즉, 상기 조절부재(120)를 통해 전달받은 탄성구조체(110)의 변화량을 변위증폭용 지레(130)를 이용함으로써 크게 증폭시켜 줄 수 있다.
예를 들어, 상기 탄성구조체(110)의 변위는 0~100μm 정도이며, 상기 변위증폭용 지레(130)에 의해 증폭된 변위는 0~ 0.5 mm 정도가 된다.
이때, 상기 제2 센서(170)는 항상 고정된 거리(d3)에 대응하는 전압을 출력한다.
상기 온도보상 가능한 힘센서는 제1 센서(140) 및 제2 센서(170)의 출력 전압을 처리하여 힘 값으로 변환하는 처리부(300)를 포함한다.
상기 처리부(300)는 도 3a에서와 같이 힘센서 내부에 구비될 수도 있고, 도 3b와 같이 힘센서 외부에 구비될 수도 있다.
상기 처리부(300)에서는 상기 힘센서에 가해지는 힘은 상기 <수학식 4>를 이용하여 계산한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 제1 센서 및 제2 센서의 출력전압 및 온도 보상된 출력값을 도시한 그래프이다.
도 4는 2개의 동일한 센서(제1 센서, 제2 센서)를 구비한 힘센서를 상온에서부터 50℃ 까지 온도변화에 따라 샘플링한 데이터를 나타내었다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1 센서의 출력전압은 "V1(변위용)"으로 표시되어 있고, 제2 센서의 출력전압은 "V2(온도보상용)"으로 표시되어 있으며, 제1 센서의 출력값에서 제2센서의 출력전압을 단순희 뺀 전압값은 "V1-V2"로 표시되어 있으며, 제1 센서의 출력전압에 0.855를 곱하고 제2센서의 출력전압을 뺀 전압값은 "0.855*V1 -V2"로 표시되어 있다.
V1 및 V2 는 온도가 상온에서 50℃ 까지 올라감에 따라 출력전압이 낮아지다가 어느 지점부터는 세츄레이션(saturation)되는 그래프를 보여준다.
여기서,"0.855*V1 -V2"에서 V1에 곱해진 상수 0.855는 두 값 V1 및 V2 차이의 변화량이 가장 적도록 선택한 값으로, 시뮬레이션에 따라 정할 수 있는 값이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 온도보상 가능한 힘센서의 구성도이다.
도 5에 도시된 바와 같이,본 발명의 다른 실시예에 따른 온도보상 가능한 힘센서는, 베이스(100), 상기 베이스(100) 상에 하우징 형태로 위치하고 피계량물에 의해 하중이 가해질 때 하방으로 변형되는 탄성구조체(110), 상기 탄성구조체(110)의 상면을 관통하면서 결합되는 조절부재(120), 상기 탄성구조체(110) 하부에 위치하고, 상기 조절부재(120)와 접촉하여 상기 조절부재(120)를 통해 전달되는 상기 탄성구조체(110)의 변위를 증폭시키는 변위증폭용 지레(130), 상기 베이스(100) 상부에 위치하여 상기 변위증폭용 지레(130)까지의 거리(d1)를 감지하여 감지한 거리에 대응하는 전기적 신호를 발생시키는 제1 센서(140), 상기 베이스(100)의 상면과 상기 제1 센서(140)의 하면 사이에 위치하는 회로기판(150), 상기 지레(130)의 상부에 상기 제1 센서(140)와 마주하도록 상기 탄성구조체(110)의 하면에 부착되어 상기 지레(130)까지의 거리(d4)에 대응하는 전기신호를 발생시키는 제2 센서(500), 및 상기 제1 센서(140) 및 상기 제2 센서(500)로부터 출력되는 신호를 처리하는 처리부(510)를 포함한다.
도 5에 마주보도록 구비된 두 개의 센서(140), 500)는, 상기 제1 센서(140)와 상기 지레(130)까지의 상대거리(d1)가 증가하면, 상기 제2 센서(500)와 상기 지레(130)까지의 상대거리(d4)가 감소하고, 상기 제1 센서(140)와 상기 지레(130)까지의 상대거리(d1)가 감소하면, 상기 제2 센서(500)와 상기 지레(130)까지의 상대거리(d4)가 증가한다.
이에 따라, 마주하는 두 개의 센서(140), 500)에서, 하나의 전압값은 증가하고, 다른 하나의 전압은 감소한다. 두 개의 차이값(difference)으로 힘 값을 추정하면, 민감도가 향상되며, 온도특성에 따른 영향이 상쇄되어 온도 특성이 보상되는 효과가 있다.
상기 처리부(510)에서는 상기 힘센서에 가해지는 힘을 하기 <수학식 5>를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 한다.
<수학식 5>
V제1센서 = f1(d1, T)
V제2센서 = f2(d4, T)
F = f4(V제1센서, V제2센서) = a(f1 - f2) + b
= a{(a1V제1센서 + b1) - (a2V제2센서 + b2)} + b
= a*a1V제1센서 - a*a2V제2센서 + a*b1 - a*b2 + b
= a1'V제1센서 - a2'V제2센서 + b'
여기서, F는 <수학식 1>에 기반한 힘 추정식, V제1센서는 변형량(d1)와 온도(T)에 따라 달라지는 제1 센서(140)의 출력 전압, V제2센서는 변형량(d4)와 온도(T)에 따라 달라지는 제2 센서(500)의 출력 전압, f1은 제1 센서(140)에 대한 전압 추정식이고, f2는 제2 센서(500)에 대한 전압 추정식이고, f4(V제1센서, V제2센서)는 두 개의 센서를 이용한 힘 추정식이고, a, a1, a2, a1', a2',b, b1, b2 및 b'은 상수이다. 여기서, 제1 센서와 제2 센서의 온도에 대한 동적 특성이 같으므로, f1 과 f2 의 차이(difference)는 온도특성에 따른 영향이 상쇄된다.
상기 힘 추정식(f4)은, 상기 제1 센서(140)와 상기 지레(130)까지의 상대거리가 증가하거나 감소함에 따라 출력되는 전압값, 및 상기 제2 센서(500)와 상기 지레(130)까지의 상대거리가 감소하거나 증가함에 따라 출력되는 전압값을 분석한 후 결정된다.
한편, 도 5에서는 상기 처리부(510)가 힘센서의 외부에 구비되는 것으로 도시하였으나, 상기 처리부(510)는 힘센서의 내부에 구비될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 온도보상 가능한 힘센서의 구성도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 온도보상 가능한 힘센서는 강체(600), 제1 x축 센서(610), 제2 x축 센서(620), 제1 y축 센서(630), 제2 y축 센서(640), 제1 탄성체(650), 제2 탄성체(660), 제3 탄성체(670), 및 제4 탄성체(680)를 포함한다. 도 6은 평면도로써, 도 6에 도시된 X 및 Y는 평면에서의 X방향 및 Y 방향을 의미한다.
상기 강체(600)는 내부프레임(600c)에 외력이 가해질 때, 상기 제1 내지 제4 탄성체(650 내지 680)에 의해 x축 및 y축으로 변위가 발생한다. 상기 강체(600)는 사방이 일정 두께를 가지는 외부프레임(600a), 상기 외부프레임(600a) 내부에 구비되어 사방이 일정 두께를 가지는 중간프레임(600b), 및 상기 중간프레임(600b) 내부에 구비된 육면체의 내부프레임(600c)이 서로 연결된 구조를 가진다. 상기 내부프레임(600c)은 제1 탄성체(650) 및 제2 탄성체(660)에 의해 상기 중간프레임(600b)과 x축이 연결되어 있고, 상기 중간프레임(600b)은 제3 탄성체(670) 및 제4 탄성체(680)에 의해 상기 외부프레임(600a)과 y축이 연결되어 있다. 더 상세하게는, 상기 내부프레임(600c)의 왼쪽에 구비된 제1 탄성체(650)와 상기 내부프레임(600c)의 오른쪽에 구비된 제2 탄성체(660)를 통해 상기 내부프레임(600c)과 상기 중간프레임(600b)이 연결되어 있다. 또한, 상기 중간프레임(600b)의 상부에 구비된 제3 탄성체(670)와 상기 중간프레임(600b)의 하부에 구비된 제4 탄성체(680)를 통해 상기 중간프레임(600b)과 상기 외부프레임(600a)이 연결되어 있다. 더 상세하게는, 상기 내부프레임(600c)의 왼쪽에 구비된 제1 탄성체(650)와 상기 내부프레임(600c)의 오른쪽에 구비된 제2 탄성체(660)를 통해 상기 내부프레임(600c)과 상기 중간프레임(600b)이 연결되어 있다. 또한, 상기 중간프레임(600b)의 상부에 구비된 제3 탄성체(670)와 상기 중간프레임(600b)의 하부에 구비된 제4 탄성체(680)를 통해 상기 중간프레임(600b)과 상기 외부프레임(600a)이 연결되어 있다.
상기 제1 x축 센서(610) 및 제2 x축 센서(620)는 x축 상에 서로 마주보도록 상기 외부프레임(600a)의 내측에 구비되어 있고, 상기 제1 y축 센서(630) 및 제2 y축 센서(640)는 y축 상에 서로 마주보도록 상기 중간프레임(600b) 내측에 구비되어 있다.
FY 의 힘이 작용하면, 상기 제1 탄성체(650) 및 제2 탄성체(660)는 휘고, 제3 탄성체(670)는 수축(압축)되고, 상기 제4 탄성체(680)은 인장된다. 이에, dY1 은 늘어나고, dY2 는 줄어든다.
한편, FX 의 힘이 작용하면, 상기 제3 탄성체(670) 및 제4 탄성체(680)는 일부 변형되고, 이에, dX1 은 늘어나고, dX2 는 줄어든다.
즉, 마주보는 2개의 센서 쌍(pair)에서, 변형에 따라 하나의 전압은 증가하고, 다른 하나의 전압은 감소한다. 두 개의 차이값(difference)으로 힘 값을 추정하면, 민감도가 향상되며, 온도특성에 따른 영향이 상쇄되어 온도 특성이 보상되는 효과가 있다.
본 발명에 따라 온도 보상된 다축 힘센서에서, x축 센서들(610, 620)의 출력전압과 힘과의 관계식은 다음 <수학식 6>과 같다.
<수학식 6>
FX = aX1VX1 - aX2VX2 + bX
여기서, FX 는 x축으로 가해지는 힘이고, aX1은 제1 x축 센서(610)의 출력전압과 힘 사이의 기울기이고, VX1 은 제1 x축 센서(610)의 출력전압이고, aX2 는 제2 x축 센서(620)의 출력전압과 힘 사이의 기울기이고, VX2 는 제2 x축 센서(620)의 출력전압이고, bX 은 초기상태에서 FX 가 0이 되도록 하는 x축 오프셋이다.
한편, 본 발명에 따라 온도 보상된 다축 힘센서에서, y축 센서들(630, 640)의 출력전압과 힘과의 관계식은 다음 <수학식 7>과 같다.
<수학식 7>
FY = aY1VY1 - aY2VY2 + bY
여기서, FY 는 y축으로 가해지는 힘이고, aY1은 제1 y축 센서(630)의 출력전압과 힘 사이의 기울기이고, VY1 은 제1 y축 센서(630)의 출력전압이고, aY2 는 제2 y축 센서(640) 출력전압과 힘 사이의 기울기이고, VY2 는 제2 y축 센서(640)의 출력전압이고, bY 는 초기상태에서 FY 가 0이 되도록 하는 y축 오프셋이다.
도 7 및 8은 본 발명의 기술적 사상의 실시예들에 의한 전자 시스템들(3300, 3400)을 개념적으로 도시한 구성도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예들에 의한 전자 시스템(3300)은 바디(3310), 디스플레이 유닛(3360), 및 외부 장치(3370)를 포함할 수 있다.
바디(3310)는 마이크로 프로세서 유닛(Micro Processor Unit; 3320), 파워 공급부(Power Supply; 3330), 기능 유닛(Function Unit; 3340), 및/또는 디스플레이 컨트롤 유닛(Display Control Unit; 3350)을 포함할 수 있다.
바디(3310)는 인쇄 회로기판(PCB) 등을 갖는 시스템 보드 또는 마더 보드(Mother Board), 및/또는 케이스(case)를 포함할 수 있다. 마이크로 프로세서 유닛(3320), 파워 공급부(3330), 기능 유닛(3340), 및 디스플레이 컨트롤 유닛(3350)은 바디(3310)의 상면 또는 내부에 실장 또는 배치될 수 있다. 바디(3310)의 상면 혹은 바디(3310)의 내/외부에 디스플레이 유닛(3360)이 배치될 수 있다.
디스플레이 유닛(3360)은 디스플레이 컨트롤 유닛(3350)에 의해 프로세싱된 이미지를 표시할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 유닛(3360)은 LCD (liquid crystal display), AMOLED(active matrix organic light emitting diodes), 또는 다양한 디스플레이 패널을 포함할 수 있다. 디스플레이 유닛(3360)은 터치 스크린을 포함할 수 있다. 따라서, 디스플레이 유닛(3360)은 입출력 기능을 가질 수 있다.
파워 공급부(3330)는 전류 또는 전압을 마이크로 프로세서 유닛(3320), 기능 유닛(3340), 디스플레이 컨트롤 유닛(3350) 등으로 공급할 수 있다. 파워 공급부(3330)는 충전 배터리, 건전지용 소켓, 또는 전압/전류 변환기를 포함할 수 있다.
마이크로 프로세서 유닛(3320)은 파워 공급부(3330)로부터 전압을 공급받아 기능 유닛(3340)과 디스플레이 유닛(3360)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 마이크로 프로세서 유닛(3320)은 CPU 또는 AP (application processor)를 포함할 수 있다.
기능 유닛(3340)은 다양한 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 기능 유닛(3340)은 터치 패드, 터치 스크린, 휘발성/비휘발성 메모리, 메모리 카드 컨트롤러, 카메라, 라이트, 음성 및 동영상 재생 프로세서, 무선 송수신 안테나, 스피커, 마이크, USB 포트, 기타 다양한 기능을 가진 유닛을 포함할 수 있다. 마이크로 프로세서 유닛(3320) 또는 기능 유닛(3340)은 본 발명의 다양한 실시예들에 의한 온도보상 기능을 가지는 힘센서의 출력 신호를 입력 받을 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 전자 시스템(3400)은 버스(3420)를 통하여 데이터 통신을 수행하는 마이크로프로세서(3414), 메모리 시스템(3412) 및 유저 인터페이스(3418)를 포함할 수 있다. 마이크로프로세서(3414)는 CPU 또는 AP를 포함할 수 있다. 전자 시스템(3400)은 마이크로프로세서(3414)와 직접적으로 통신하는 램(3416)을 더 포함할 수 있다.
마이크로프로세서(3414) 및/또는 램(3416)은 단일 패키지 내에 조립될 수 있다. 유저 인터페이스(3418)는 전자 시스템(3400)으로 정보를 입력하거나 또는 전자 시스템(3400)으로부터 정보를 출력하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 유저 인터페이스(3418)는 터치 패드, 터치 스크린, 키보드, 마우스, 스캐너, 음성 디텍터, CRT(cathode ray tube) 모니터, LCD, AMOLED, PDP(plasma display panel), 프린터, 라이트, 또는 기타 다양한 입출력 장치들을 포함할 수 있다.
메모리 시스템(3412)은 마이크로프로세서(3414) 동작용 코드들, 마이크로프로세서(3414)에 의해 처리된 데이터, 또는 외부 입력 데이터를 저장할 수 있다. 메모리 시스템(3412)은 메모리 컨트롤러, 하드 디스크, 또는 SSD(solid state drive)를 포함할 수 있다. 마이크로프로세서(3414), 램(3416), 및/또는 메모리 시스템은 본 발명의 다양한 실시예들에 의한 온도보상 기능을 가지는 힘센서의 출력 신호를 입력 받을 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 베이스 110: 탄성구조체
120: 조절부재 130: 변위증폭용 지레
140: 제1 센서 150: 회로기판
160: 반사판 170: 제2 센서
180: 기준판재 300: 처리부
500: 제3 센서 510: 처리부
600: 강체 600a: 외부프레임
600b: 중간프레임 600c: 내부프레임
610: 제1 x축 센서 620: 제2 x축 센서
630: 제1 y축 센서 640: 제2 y축 센서
650: 제1 탄성체 660: 제2 탄성체
670: 제3 탄성체 680: 제4 탄성체

Claims (10)

  1. 온도보상 가능한 힘센서에 있어서,
    베이스(100);
    상기 베이스 상에 하우징 형태로 위치하고 피계량물에 의해 하중이 가해질 때 하방으로 변형되는 탄성구조체(110);
    상기 베이스 상부에 위치하여 상기 탄성구조체까지의 거리에 대응하는 전기신호를 발생시키는 제1 센서(140);
    상기 베이스의 상면과 상기 제1 센서의 하면 사이에 위치하는 회로기판(150);
    상기 회로기판 상에 위치하여 항상 변하지 않는 거리에 대응하는 전기신호를 발생시키는 제2 센서(170);
    상기 제2 센서의 상부와 마주하도록 상기 탄성구조체의 내측면에 부착된 기준판재(180); 및
    상기 제1 센서 및 상기 제2 센서로부터 출력되는 신호를 처리하여 온도특성에 따른 영향을 상쇄하는 처리부(300)
    를 포함하고,
    상기 처리부는,
    상기 힘센서에 가해지는 힘을 하기 <수학식 8>를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 온도보상 가능한 힘센서.
    <수학식 8>
    V제1센서 = f1(d,T)
    V제2센서 = f2(T)
    F = f3(V제1센서, V제2센서) = a(f1 - f2) + b
    = a{(a1V제1센서 + b1) - (a2V제2센서 + b2)} + b
    = a*a1V제1센서 - a*a2V제2센서 + a*b1 - a*b2 + b
    = a1'V제1센서 - a2'V제2센서 + b'
    (여기서, V제1센서는 변형량(d)와 온도(T)에 따라 달라지는 상기 제1 센서의 출력 전압, V제2센서는 온도(T)에 따라 달라지는 상기 제2 센서의 출력 전압, f1은 상기 제1 센서에 대한 전압 추정식, f2는 상기 제2 센서에 대한 전압 추정식, f3(V제1센서, V제2센서)는 두 개의 센서를 이용한 힘 추정식, a, a1, a2, a1', a2',b, b1, b2 및 b'은 상수)
  2. 온도보상 가능한 힘센서에 있어서,
    베이스(100);
    상기 베이스 상에 하우징 형태로 위치하고 피계량물에 의해 하중이 가해질 때 하방으로 변형되는 탄성구조체(110);
    상기 탄성구조체의 상면을 관통하면서 결합되는 조절부재(120);
    상기 탄성구조체 하부에 위치하고, 상기 조절부재와 접촉하여 상기 조절부재를 통해 전달되는 상기 탄성구조체의 변위를 증폭시키는 지레(130);
    상기 베이스 상부에 위치하여 상기 지레까지의 거리에 대응하는 전기신호를 발생시키는 제1 센서(140);
    상기 베이스의 상면과 상기 제1 센서의 하면 사이에 위치하는 회로기판(150);
    상기 회로기판 상에 위치하여 항상 변하지 않는 거리에 대응하는 전기신호를 발생시키는 제2 센서(170);
    상기 제2 센서의 상부와 마주하도록 상기 탄성구조체의 내측면에 부착된 기준판재(180); 및
    상기 제1 센서 및 상기 제2 센서로부터 출력되는 신호를 처리하여 온도특성에 따른 영향을 상쇄하는 처리부(300)
    를 포함하고,
    상기 처리부는,
    상기 힘센서에 가해지는 힘을 하기 <수학식 9>를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 온도보상 가능한 힘센서.
    <수학식 9>
    V제1센서 = f1(d,T)
    V제2센서 = f2(T)
    F = f3(V제1센서, V제2센서) = a(f1 - f2) + b
    = a{(a1V제1센서 + b1) - (a2V제2센서 + b2)} + b
    = a*a1V제1센서 - a*a2V제2센서 + a*b1 - a*b2 + b
    = a1'V제1센서 - a2'V제2센서 + b'
    (여기서, V제1센서는 변형량(d)와 온도(T)에 따라 달라지는 상기 제1 센서의 출력 전압, V제2센서는 온도(T)에 따라 달라지는 상기 제2 센서의 출력 전압, f1은 상기 제1 센서에 대한 전압 추정식, f2는 상기 제2 센서에 대한 전압 추정식, f3(V제1센서, V제2센서)는 두 개의 센서를 이용한 힘 추정식, a, a1, a2, a1', a2',b, b1, b2 및 b'은 상수)
  3. 제 1항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 처리부(300)는,
    상기 힘센서의 내부 또는 외부에 구비되는 것을 특징으로 하는 온도보상 가능한 힘센서.
  4. 삭제
  5. 제 1항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 힘 추정식(f3)은,
    힘의 크기 및 온도 특성에 따라 변하는 상기 제1 센서에서 출력되는 전압 및 온도특성에 따라 변하는 상기 제2 센서에서 출력되는 전압을 분석한 후 결정되는 것을 특징으로 하는 온도보상 가능한 힘센서.
  6. 온도보상 가능한 힘센서에 있어서,
    베이스(100);
    상기 베이스 상에 하우징 형태로 위치하고 피계량물에 의해 하중이 가해질 때 하방으로 변형되는 탄성구조체(110);
    상기 탄성구조체의 상면을 관통하면서 결합되는 조절부재(120);
    상기 탄성구조체 하부에 위치하고, 상기 조절부재와 접촉하여 상기 조절부재를 통해 전달되는 상기 탄성구조체의 변위를 증폭시키는 지레(130);
    상기 베이스 상부에 위치하여 상기 지레까지의 거리에 대응하는 전기신호를 발생시키는 제1 센서(140);
    상기 베이스의 상면과 상기 제1 센서의 하면 사이에 위치하는 회로기판(150);
    상기 지레의 상부에 상기 제1 센서와 마주하도록 상기 탄성구조체의 하면에 부착되어 상기 지레까지의 거리에 대응하는 전기신호를 발생시키는 제2 센서(500); 및
    상기 제1 센서 및 상기 제2 센서로부터 출력되는 신호를 처리하여 온도특성에 따른 영향을 상쇄하는 처리부(510)
    를 포함하고,
    상기 처리부(510)는,
    상기 힘센서에 가해지는 힘을 하기 <수학식 10>을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 온도보상 가능한 힘센서.
    <수학식 10>
    V제1센서 = f1(d1, T)
    V제2센서 = f2(d4, T)
    F = f4(V제1센서, V제2센서) = a(f1 - f2) + b
    = a{(a1V제1센서 + b1) - (a2V제2센서 + b2)} + b
    = a*a1V제1센서 - a*a2V제2센서 + a*b1 - a*b2 + b
    = a1'V제1센서 - a2'V제2센서 + b'
    (여기서, V제1센서는 변형량(d1)와 온도(T)에 따라 달라지는 상기 제1 센서의 출력 전압, V제2센서는 변형량(d4)와 온도(T)에 따라 달라지는 상기 제2 센서의 출력 전압, f1은 상기 제1 센서에 대한 전압 추정식이고, f2는 상기 제2 센서에 대한 전압 추정식이고, f4(V제1센서, V제2센서)는 두 개의 센서를 이용한 힘 추정식이고, a, a1, a2, a1', a2',b, b1, b2 및 b'은 상수)
  7. 삭제
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 힘 추정식(f4)은,
    상기 제1 센서와 상기 지레까지의 상대거리가 증가하거나 감소함에 따라 출력되는 전압값, 및 상기 제2 센서와 상기 지레까지의 상대거리가 감소하거나 증가함에 따라 출력되는 전압값을 분석한 후 결정되는 것을 특징으로 하는 온도보상 가능한 힘센서.
  9. 온도보상 가능한 힘센서에 있어서,
    외부프레임(600a), 중간프레임(600b) 및 내부프레임(600c)이 연결되는 강체(600);
    상기 내부프레임의 x축 변형에 따라 그에 대응하는 전압값을 출력하는 제1 x축 센서(610) 및 제2 x축 센서(620);
    상기 내부프레임의 y축 변형에 따라 그에 대응하는 전압값을 출력하는 제1 y축 센서(630) 및 제2 y축 센서(640);
    상기 내부프레임과 상기 중간프레임을 x축으로 연결하는 제1 탄성체(650) 및 제2 탄성체(660);
    상기 중간프레임과 상기 외부프레임을 y축으로 연결하는 제3 탄성체(670) 및 제4 탄성체(680); 및
    상기 제1 x축 센서, 제2 x축 센서, 제1 y축 센서 및 제2 y축 센서로부터 출력되는 신호를 처리하여 온도특성에 따른 영향을 상쇄하는 처리부
    를 포함하고,
    상기 제1 x축 센서 및 상기 제2 x축 센서는,
    x축 상에 서로 마주보도록 상기 외부프레임의 내측에 구비되고,
    상기 제1 y축 센서 및 상기 제2 y축 센서는,
    y축 상에 서로 마주보도록 상기 중간프레임 내측에 구비되는 것을 특징으로 하고,
    상기 내부프레임의 왼쪽에 구비된 상기 제1 탄성체와 상기 내부프레임의 오른쪽에 구비된 상기 제2 탄성체를 통해 상기 내부프레임과 상기 중간프레임이 연결되어 있고, 상기 중간프레임의 상부에 구비된 상기 제3 탄성체와 상기 중간프레임의 하부에 구비된 상기 제4 탄성체를 통해 상기 중간프레임과 상기 외부프레임이 연결된 것을 특징으로 하고,
    상기 처리부는,
    상기 힘센서에 가해지는 힘을 하기 <수학식 11> 및 <수학식 12>를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 온도보상 가능한 힘센서.
    <수학식 11>
    FX = aX1VX1 - aX2VX2 + bX
    (여기서, FX 는 x축으로 가해지는 힘이고, aX1은 상기 제1 x축 센서의 출력전압과 힘 사이의 기울기이고, VX1 은 상기 제1 x축 센서의 출력전압이고, aX2 는 상기 제2 x축 센서의 출력전압과 힘 사이의 기울기이고, VX2 는 상기 제2 x축 센서의 출력전압이고, bX 은 초기상태에서 FX 가 0이 되도록 하는 x축 오프셋),
    <수학식 12>
    FY = aY1VY1 - aY2VY2 + bY
    (여기서, FY 는 y축으로 가해지는 힘이고, aY1은 상기 제1 y축 센서의 출력전압과 힘 사이의 기울기이고, VY1 은 상기 제1 y축 센서의 출력전압이고, aY2 는 상기 제2 y축 센서 출력전압과 힘 사이의 기울기이고, VY2 는 상기 제2 y축 센서의 출력전압이고, bY 는 초기상태에서 FY 가 0이 되도록 하는 y축 오프셋)
  10. 삭제
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