KR101985270B1 - 변형체 구조에 제한 없는 정전용량형 토크센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 정전용량형 토크센서에 관한 것으로서, 중심점을 기준으로 90도 간격으로 배치된 4개의 센싱셀에서의 정전용량 변화를 측정하여 중심축 방향의 토크 이외의 힘/토크를 모두 상쇄시키고 중심축 방향의 토크에 대한 센싱값을 제공할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

변형체 구조에 제한 없는 정전용량형 토크센서{Capacitive Torque Sensor Without Limit in Flexure Hinge}
본 발명은 정전용량형 토크센서에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 변형체 구조에 제한 없는 정전용량형 토크 센서에 관한 것이다.
토크 센서는 로봇의 관절에 부착되어 로봇의 신뢰도와 정확성을 향상시키고,로봇이 다양한 작업들을 수행할 수 있게 하는 필수적인 구성요소이다.
그러나 지금까지의 토크센서는 대부분 저항변화 원리기반의 스트레인게이지(strain gauge)를 이용하며, 스트레인게이지를 본딩하는 작업의 특성상 자동화가 어려워 대량 생산이 불가능하고 가격이 높으며, 충격에 매우 약한 단점을 가지고 있다.
또한 기준 축에 대한 토크만 측정할 수 있도록 하기 위해 기준 축 이외 다른 축에서의 간섭을 없애기 위한 복잡한 구조와 알고리즘을 필요로 한다.
따라서 토크센서는 높은 필요성에도 불구하고 로봇 분야에 보편적으로 사용되고 있지 못하는 실정이다.
한국특허 제10-1293984호 "스트레인게이지 타입의 힘-토크 센서 및 그 제조 방법"
본 발명의 목적은 정전용량형 토크센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 변형체 구조에 제한이 없는 정전용량형 토크센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 소형화가 가능한 정전용량형 토크 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 간단한 연산을 통해 기준축 방향 토크만 출력할 수 있는 정전용량형 토크 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 기타 목적들은, 본 발명에 따른 정전용량형 토크센서에 의해 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 토크센서는 중심점을 기준으로 90도 간격으로 배치된 4개의 홈, 4개의 홈의 일측에 각각 위치된 4개의 전극을 포함하는 센싱 플레이트 및 상기 센싱 플레이트의 4개의 홈에 삽입되는 4개의 돌출 바를 포함하는 그라운드 플레이트를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 4개의 홈 중 180도 간격으로 배치된 한 쌍의 홈의 일측에 위치한 전극은 홈의 시계방향 일측에 위치하고, 나머지 한 쌍의 홈의 일측에 위치한 전극은 홈의 반시계방향 일측에 위치하며, 외부로부터 힘/토크가 작용하였을 때 상기 그라운드 플레이트는 상기 센싱 플레이트에 대해 상대적으로 이동될 수 있다.
상기 센싱 플레이트는 상기 중심점을 중심으로 하는 원형 플레이트이며, 상기 4개의 홈은 상기 원형 플레이트의 원주로부터 상기 원형 플레이트의 내측을 향해 절개된 홈일 수 있다.
상기 홈은 상기 원형 플레이트의 원주로부터 상기 중심점을 향하는 절개선에 의해 절개된 홈일 수 있다.
상기 홈은 상기 중심점을 중심으로 회전 대칭 형상을 가질 수 있다.
상기 4개의 홈에 각각 삽입된 상기 돌출 바는 상기 전극과 평행할 수 있다.
상기 돌출바의 단면은 등변사다리꼴일 수 있다.
상기 센싱 플레이트는 인쇄회로기판일 수 있다.
각각의 상기 홈에 삽입된 돌출 바와 각각의 상기 홈의 일측에 위치한 전극에 의해 제1 내지 제4 센싱셀이 구성되고, 상기 센싱 플레이트와 평행한 평면에서 서로 직교하는 두 개의 축을 X축, Y축, 그리고 상기 X축과 Y축에 수직한 축을 Z축이라고 할 때 X축 힘/토크, Y축 힘/토크, Z축 토크의 발생에 의해 상기 제1 내지 제4 센싱 셀 중 서로 180도 간격으로 배치된 한 쌍의 센싱셀은 서로 반대 되는 정전용량 변화를 갖고, Z축 방향 힘에 의해 상기 제1 내지 제4 센싱셀에서의 정전용량 변화는 없으며, Z축 방향 토크에 의해 서로 180도 간격으로 배치된 두 쌍의 센싱셀 중 한 쌍의 정전용량은 증가하고 나머지 한 쌍의 정전용량은 감소하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 내지 제4 센싱셀에서의 정전용량 변화값과 아래 수식을 이용하여 센싱값(M)을 출력하는 연산부를 더 포함할 수 있다.
M=SF1*Cell1-SF2*Cell2+SF3*Cell3-SF4*Cell4
여기서, Cell1은 제1 센싱셀의 정전용량 변화값, Cell2는 제2 센싱셀의 정전용량 변화값, Cell3은 제3 센싱 셀의 정전용량 변화값, Cell4는 제4 센싱셀의 정전용량 변화값이며, SF1, SF2, SF3, SF4는 각 센싱 셀에 대한 가중치이다.
상기 센싱값은 상기 Z축 토크가 인가되었을 때에만 출력되며, 상기 X축 힘/토크, Y축 힘/토크, Z축 힘이 인가되었을 때 상기 센싱값은 0일 수 있다.
본 발명은 변형체 구조에 제한이 없어 소형화가 가능한 정전용량형 토크센서를 제공하는 효과를 갖는다.
또한 본 발명은 간단한 연산을 통해 기준축 방향 토크만 출력할 수 있는 정전용량형 토크 센서를 제공하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크센서를 보여주는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 센서를 보여주는 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 토크센서의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 토크센서에 X축 방향 힘이 작용하였을 때 변화를 보여주는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 토크센서에 Y축 방향 힘이 작용하였을 때 변화를 보여주는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크센서에 Z축 방향 힘이 작용하였을 때 변화를 보여주는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크센서에 X축 방향 토크가 작용하였을 때 변화를 보여주는 평면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크센서에 Y축 방향 토크가 작용하였을 때 변화를 보여주는 평면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 토크센서에 Z축 방향 토크가 작용하였을 때 변화를 보여주는 평면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 센서에 3축 방향 힘/토크가 작용하였을 때 4개의 센싱셀에서 측정되는 정전용량의 변화를 나타낸 표이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 정전용량형 토크센서에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량형 토크센서를 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.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
또한 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 있는 것을 의미한다.
본 발명의 설명에서 용어 "중심", "세로", "상", "하", "앞", "뒤", "좌", "우", "수직", "수평", "안", "밖", "시계 방향", "반시계 방향", "x축", "y축", "z축" 등이 가리키는 방향이나 위치관계는 첨부된 도면이 가리키는 방향이나 위치관계를 기초로 한 것으로, 단지 본 발명을 해석하고 간략하게 설명하기 편리하게 하기 위한 것일 뿐, 가리키는 장치나 구성요소가 반드시 특정된 방향을 갖고 있다거나 특정된 방향으로 구성되고 조작된다는 것을 제시하거나 암시하는 것이 아니므로 본 발명에 대한 한정으로 이해해서는 안된다. 이 외에, 용어 "제1", "제2"는 단지 설명의 목적일 뿐 상대적인 중요성을 지시하거나 암시하는 것으로 이해해서는 안된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 토크센서의 평면도이고 도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 토크센서의 분해 사시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 토크센서는 센싱 플레이트(10) 및 그라운드 플레이트(20)를 포함하여 이루어진다.
센싱 플레이트(10)에는 중심점을 기준으로 90도 간격으로 4개의 홈(11-1, 11-2, 11-3, 11-4)이 형성되어 있으며, 4개의 홈의 일측에 각각 하나의 전극(12-1, 12-2, 12-3, 12-4)이 위치되어 있다.
이때 4개의 홈 중 180도 간격으로 배치된 한 쌍의 홈(11-1, 11-3)의 일 측에 위치한 전극(21-1, 21-3)은 홈의 시계방향 일측에 위치하고, 나머지 한 쌍의 홈(11-2, 11-4)의 일측에 위치한 전극(21-2, 21-4)은 홈의 반시계방향 일측에 위치하도록 배치한다.
센싱 플레이트(10)는 전극(12)에 전원을 인가하고 전극으로부터 정전용량을 측정하기 위한 회로가 형성된 인쇄회로기판(PCB)으로 바람직하게 형성될 수 있다.
또한 센싱 플레이트는 원형 플레이트(가운데 일부 영역이 제거된 도넛 모양 포함)인 것이 바람직하며, 4개의 홈은 도 1에 도시된 바와 같이 원형 플레이트의 원주로부터 내측으로 일정 길이를 절개하여 형성할 수 있다. 이때 절개 방향은 원형 플레이트의 중심점을 향하는 것이 바람직하다.
또한 홈(11)의 크기와 형상이 동일한 것이 바람직하며, 따라서 홈은 원형 플레이트의 중심점을 중심으로 90도 각도로 회전 대칭인 형상을 갖는 것이 바람직하다. 즉, 제1 홈(11-1)을 중심점을 중심으로 반시계 방향으로 90도 회전시키면 제2 홈(11-2)과 정확히 일치하고, 180도 회전시키면 제3 홈(11-3)과 정확히 일치하고 270도 회전시키면 제4 홈(11-4)과 정확히 일치되는 것이 바람직하다.
그라운드 플레이트(20)는 센싱 플레이트의 상부 또는 하부에 위치하는 플레이트로서, 센싱 플레이트의 전극과 그라운드 플레이트 사이에서 정전용량이 형성될 수 있도록 구성된다.
이를 위해 전극(12-1, 12-2, 12-3, 12-4)과 다른 전위를 갖는 전극들을 포함하여 이루어지도록 그라운드 플레이트를 구성할 수 있다. 그러나 그라운드 플레이트 전체 내지 적어도 일부를 접지 전극으로 형성하는 간단한 방법으로 센싱 플레이트의 전극과 그라운드 플레이트 사이에 정전용량이 형성되도록 할 수 있다.
또한 그라운드 플레이트(20)와 센싱 플레이트의 전극 사이의 거리가 가까울수록 더 큰 정전용량이 형성된다. 따라서 그라운드 플레이트가 센싱 플레이트 방향으로 돌출된 4개의 돌출 바(21-1, 21-2, 21-3, 21-4)를 구비하도록 형성할 수 있다.
이러한 돌출 바(21)를 포함하는 그라운드 플레이트(20)는 발명의 일 실시예에 따른 토크센서를 형성하기 위해 각각의 돌출 바가 그라운드 플레이트의 홈에 삽입되도록 조립된다.
따라서 그라운드 플레이트의 돌출 바는 홈에 삽입될 수 있도록 홈에 대응하는 위치와 간격으로 형성된다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 센서는 외부로부터 힘/토크가 작용하였을 때 그라운드 플레이트(20)는 센싱 플레이트(10)에 대해 상대적으로 이동한다. 따라서 돌출 바의 폭을 홈의 폭보다 작게 형성하여 외부 힘/토크 센서가 작용하였을 때 돌출 바가 홈 안에서 이동될 수 있도록 한다.
또한 돌출 바의 형상은 전극과 마주하는 면이 전극과 평행하도록 구성되는 것이 바람직하며, 홈 안에서 돌출 바가 이동하더라도 서로 마주하는 돌출 바와 전극이 서로 평행하도록 구성하는 것이 바람직하다.
이를 위해 도 3에 도시된 바와 같이 센싱 플레이트(10)의 홈(11)을 원형 플레이트의 원주로부터 중심점을 향해 절개하며, 그라운드 플레이트(20)의 돌출 바(21)의 단면이 등변사다리꼴을 갖도록 구성하는 것이 바람직하다.
지금까지 설명한 바와 같은 그라운드 플레이트의 돌출 바(21)가 센싱 플레이트의 홈(11)에 삽입되어 위치하도록 조립하여 본 발명의 일 실시예에 따른 토크센서를 형성하면 도 1에 도시된 바와 같이 그라운드 플레이트의 돌출 바(21)와 센싱 플레이트의 전극(12)이 서로 마주보도록 위치되어 돌출 바와 전극 사이에 정전용량이 형성된다.
정전용량을 형성하는 하나의 돌출 바와 하나의 전극을 센싱셀이라고 할 때 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 토크센서는 서로 90도 간격으로 배치된 4개의 센싱셀을 갖는다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 도 4에 도시된 바와 같이 4개의 센싱셀을 반시계 방향의 순서대로 제1 센싱셀(Cell1), 제2 센싱셀(Cell2), 제3 센싱셀(Cell3), 제4 센싱셀(Cell4)이라고 하고 외부의 힘/토크가 작용하였을 때 각 센싱셀에서의 정전용량 변화에 대해 설명하기로 한다.
도 4에 본 발명의 일 실시예에 따른 토크센서에 X축 방향 힘이 작용하였을 때 변화를 보여주는 평면도가 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 토크센서에 X축 방향 힘(Fx)이 작용하였을 때 도 4에 도시된 바와 같이 X축 방향 힘(Fx)에 의해 그라운드 플레이트(20)가 X축 방향 힘(Fx)의 방향으로 이동될 수 있다.
이러한 그라운드 플레이트의 움직임에 따라 제1 센싱셀(Cell1)과 제2 센싱셀(Cell2)에서는 돌출 바(21-1, 21-2)와 전극(12-1, 12-2) 사이의 거리가 가까워진다.
이에 반해 제3 센싱셀(Cell3)과 제4 센싱셀(Cell4)에서는 돌출 바(21-3, 21-4)와 전극(12-3, 12-4) 사이의 거리가 멀어진다.
따라서 도 10에 도시된 바와 같이 제1 센싱셀과 제2 센싱셀에서 측정되는 정전용량은 증가하고 제3 센싱셀과 제4 센싱셀에서 측정되는 정전용량은 감소된다.
다음으로 도 5에 본 발명의 일 실시예에 따른 토크센서에 Y축 방향 힘이 작용하였을 때 변화를 보여주는 평면도가 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 토크센서에 Y축 방향 힘(Fy)이 작용하였을 때 도 5에 도시된 바와 같이 Y축 방향 힘(Fy)에 의해 그라운드 플레이트(20)가 Y축 방향 힘(Fy)의 방향으로 이동될 수 있다.
이러한 그라운드 플레이트의 움직임에 따라 제2 센싱셀(Cell2)과 제3 센싱셀(Cell3)에서는 돌출 바(21-2, 21-3)와 전극(12-2, 12-3) 사이의 거리가 가까워진다.
이에 반해 제4 센싱셀(Cell4)과 제1 센싱셀(Cell1)에서는 돌출 바(21-4, 21-1)와 전극(12-4, 12-1) 사이의 거리가 멀어진다.
따라서 도 10에 도시된 바와 같이 제2 센싱셀과 제3 센싱셀에서 측정되는 정전용량은 증가하고 제4 센싱셀과 제1 센싱셀에서 측정되는 정전용량은 감소된다.
다음으로, 도 6에 본 발명의 일 실시예에 따른 토크센서에 Z축 방향 힘이 작용하였을 때 변화를 보여주는 평면도가 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 토크센서에 Z축 방향 힘(Fz)이 작용하였을 때 Z축 방향 힘(Fz)에 의해 그라운드 플레이트(20)가 Z축 방향 힘(Fz)의 방향으로 이동될 수 있다.
하지만 도 6에 도시된 바와 같이 이러한 그라운드 플레이트의 움직임에 따라 제1 내지 제4 센싱셀에서 돌출 바(21-1, 21-2, 21-3, 21-4)와 전극(12-1, 12-2, 12-3, 12-4) 사이의 거리 변화가 없다. 또한 돌출 바와 전극이 마주하는 면적에도 변화가 없다.
따라서 도 10에 도시된 바와 같이 제1 내지 제4 센싱셀에서 측정되는 정전용량에 변화가 없다.
다음으로, 도 7에 본 발명의 일 실시예에 따른 토크센서에 X축 방향 토크(Mx)가 작용하였을 때 변화를 보여주는 평면도가 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 토크센서에 X축 방향 토크(Mx)가 작용하였을 때 X축 방향 토크(Mx)에 의해 그라운드 플레이트(20)는 X축을 중심으로 회전될 수 있다.
이러한 그라운드 플레이트의 움직임에 따라 도 7에 도시된 바와 같이 제2 센싱셀(Cell2)과 제3 센싱셀(Cell3)에서는 돌출 바(21-2, 21-3)와 전극(12-2, 12-3) 사이의 거리가 멀어진다.
이에 반해 제4 센싱셀(Cell4)과 제1 센싱셀(Cell1)에서는 돌출 바(21-4, 21-1)와 전극(12-4, 12-1) 사이의 거리가 가까워진다.
따라서 도 10에 도시된 바와 같이 제2 센싱셀과 제3 센싱셀에서 측정되는 정전용량은 감소하고 제4 센싱셀과 제1 센싱셀에서 측정되는 정전용량은 증가한다.
다음으로, 도 8에 본 발명의 일 실시예에 따른 토크센서에 Y축 방향 토크(My)가 작용하였을 때 변화를 보여주는 평면도가 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 토크센서에 Y축 방향 토크(My)가 작용하였을 때 Y축 방향 토크(My)에 의해 그라운드 플레이트(20)는 Y축을 중심으로 회전될 수 있다.
이러한 그라운드 플레이트의 움직임에 따라 도 7에 도시된 바와 같이 제1 센싱셀(Cell1)과 제2 센싱셀(Cell2)에서는 돌출 바(21-1, 21-2)와 전극(12-1, 12-2) 사이의 거리가 멀어진다.
이에 반해 제3 센싱셀(Cell3)과 제4 센싱셀(Cell4)에서는 돌출 바(21-3, 21-4)와 전극(12-3, 12-4) 사이의 거리가 가까워진다.
따라서 도 10에 도시된 바와 같이 제1 센싱셀과 제2 센싱셀에서 측정되는 정전용량은 감소하고 제3 센싱셀과 제4 센싱셀에서 측정되는 정전용량은 증가한다.
다음으로, 도 9에 본 발명의 일 실시예에 따른 토크센서에 Z축 방향 토크가 작용하였을 때 변화를 보여주는 평면도가 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 토크센서에 Z축 방향 토크(Mz)가 작용하였을 때 Z축 방향 토크(Mz)에 의해 그라운드 플레이트(20)는 Z축을 중심으로 회전될 수 있다.
이러한 그라운드 플레이트의 움직임에 따라 도 8에 도시된 바와 같이 제1 센싱셀(Cell1)과 제3 센싱셀(Cell3)에서는 돌출 바(21-1, 21-3)와 전극(12-1, 12-3) 사이의 거리가 가까워진다.
이에 반해 제2 센싱셀(Cell2)과 제4 센싱셀(Cell4)에서는 돌출 바(21-2, 21-4)와 전극(12-2, 12-4) 사이의 거리가 멀어진다.
따라서 도 9에 도시된 바와 같이 제1 센싱셀과 제3 센싱셀에서 측정되는 정전용량은 증가하고 제2 센싱셀과 제4 센싱셀에서 측정되는 정전용량은 감소한다.
지금까지 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 토크 센서에 3축 방향의 힘과 토크가 작용하였을 때 제1 내지 제4 센싱셀에서의 정전용량 변화에 대해 살펴보았다.
도 10에 도시된 표에서 확인해 볼 수 있듯이 X축 방향 힘/토크, Y축 방향 힘/토크가 작용하였을 때 서로 180도 간격으로 배치된 한 쌍의 센싱셀은 서로 반대 되는 정전용량 변화를 가짐을 알 수 있다.
즉, 제1 센싱셀에서의 정전용량이 감소될 때 제3 센싱셀에서의 정전용량은 증가되고, 제1 센싱셀에서의 정전용량이 증가될 때 제3 센싱셀에서의 정전용량은 감소된다. 또한 제2 센싱셀에서의 정전용량이 감소될 때 제4 센싱셀에서의 정전용량은 증가되고, 제2 센싱셀에서의 정전용량이 증가될 때 제4 센싱셀에서의 정전용량은 감소된다.
또한 Z축 방향 힘이 작용할 때 제1 내지 제4 센싱셀에서의 정전용량 변화는 없으며, Z축 방향 토크가 작용할 때 서로 180도 간격으로 배치된 한 쌍의 센싱셀은 서로 동일한 정전용량 변화를 가짐을 알 수 있다.
따라서 제1 내지 제4 센싱셀을 구성하는 전극과 돌출 바의 크기 및 거리가 모두 동일하게 구성될 때 제1 내지 제4 센싱셀에서의 정전용량 변화량의 크기 역시 동일하므로 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 토크센서의 센싱값(M)을 연산하는 연산부가 아래 수식(1)을 이용하여 센싱값을 연산한다면 Z축 토크가 작용했을 때만 센싱값이 출력되며, 나머지의 경우(X축 방향 힘/토크, Y축 방향 힘/토크, Z축 방향 힘이 작용한 경우)에는 센싱값이 0이 된다.
M=Cell1-Cell2+Cell3-Cell4 (1)
여기서 Cell1은 제1 센싱셀의 정전용량 변화값, Cell2는 제2 센싱셀의 정전용량 변화값, Cell3은 제3 센싱 셀의 정전용량 변화값, Cell4는 제4 센싱셀의 정전용량 변화값이며, 증가한 경우 (+)값, 감소한 경우 (-)값을 가질 수 있다.
따라서 본 발명은 90도 각도로 배치된 제1 내지 제4 센싱셀에서 측정된 정전용량 변화값을 위 수식 (1)을 이용하여 합산하는 간단한 프로세스만으로 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 토크센서의 기준축(센싱 플레이트에 수직한 Z축)에 작용하는 토크를 제외한 모든 방향의 힘과 토크에 의한 영향을 디커플링 할 수 있음을 알 수 있다.
또한 제1 내지 제4 센싱셀에서의 정전용량 변화량의 크기가 동일하지 않은 경우라 하더라도 아래 수식 (2)와 같이 각 센싱셀에서의 정전용량 변화값에 가중치를 부가하는 방법으로 기준축(센싱 플레이트에 수직한 Z축)에 작용하는 토크를 제외한 모든 방향의 힘과 토크에 의한 영향을 디커플링 할 수 있다.
M=SF1*Cell1-SF2*Cell2+SF3*Cell3-SF4*Cell4 (2)
여기서, Cell1은 제1 센싱셀의 정전용량 변화값, Cell2는 제2 센싱셀의 정전용량 변화값, Cell3은 제3 센싱 셀의 정전용량 변화값, Cell4는 제4 센싱셀의 정전용량 변화값이며, SF1, SF2, SF3, SF4는 제1 내지 제4 센싱셀에서의 정전용량 변화량의 크기가 동일하지 않은 경우 각 센싱셀에서의 정전용량 변화량을 동일하게 만들기 위한 가중치로서 실험에 의해 결정될 수 있으며, 상수 또는 돌출 바와 전극 사이의 거리를 변수로 하는 함수일 수 있다.
지금까지 도 3 내지 도 8을 참조로 X축, Y축, Z축의 양의 방향으로 힘이 인가된 경우와 X축, Y축, Z축의 시계 방향으로 토크가 작용한 경우의 정전용량 변화를 설명하였으나 X축, Y축, Z축의 음의 방향으로 힘이 인가된 경우와 X축, Y축, Z축의 반시계 방향으로 토크가 작용한 경우에도 동일한 정전용량 변화가 발생함을 이해할 수 있을 것이다.
즉, X축 방향 힘/토크, Y축 방향 힘/토크가 작용하였을 때 서로 180도 간격으로 배치된 한 쌍의 센싱셀은 서로 반대 되는 정전용량 변화를 갖는다.
또한 Z축 방향 힘이 작용할 때 제1 내지 제4 센싱셀에서의 정전용량 변화는 없으며, Z축 방향 토크가 작용할 때 서로 180도 간격으로 배치된 한 쌍의 센싱셀은 서로 동일한 정전용량 변화를 갖는다.
또한 지금까지 외부의 힘/토크가 작용하였을 때 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 토크 센서의 움직임을 설명하기 위해 센싱 플레이트가 고정된 상태에서 그라운드 플레이트가 이동하는 것을 예로 들어 설명하였다.
하지만 그라운드 플레이트가 고정된 상태에서 센싱 플레이트가 외부 힘/토크에 의해 이동하거나 그라운드 플레이트와 센싱 플레이트가 모두 이동하되 둘 중 하나의 움직임이 더 크게 발생할 수도 있으며, 이러한 경우에도 제1 내지 제4 센싱셀에서 대칭적으로 발생하는 정전용량의 변화 및 이로 인해 Z축 토크 이외의 모든 방향의 힘/토크의 영향이 상쇄될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
또한 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 토크센서는 Z축 토크 이외의 모든 방향의 힘/토크의 영향이 상쇄하기 위해 복잡하거나 특별한 형태의 변형체를 필요로 하지 않으며 특별한 재질의 변형체를 필요로 하지도 않는다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 토크센서는 토크센서의 소형화에 매우 유리하다.
지금까지 본 발명에 따른 토크 센서를 첨부된 도면을 참조로 구체적인 실시예로 한정되게 설명하였으나 이는 하나의 실시예일 뿐이며, 첨부된 특허청구범위에서 청구된 발명의 사상 및 그 영역을 이탈하지 않으면서 다양한 변화 및 변경이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
10: 센싱 플레이트
11, 11-1, 11-2, 11-3, 11-4: 홈
12, 12-1, 12-2, 12-3, 12-4: 전극
20: 그라운드 플레이트
21, 21-1, 21-2, 21-3, 21-4: 돌출 바

Claims (10)

  1. 중심점을 기준으로 90도 간격으로 배치된 4개의 홈, 4개의 홈의 일측에 각각 위치된 4개의 전극을 포함하는 센싱 플레이트;및
    상기 센싱 플레이트의 4개의 홈에 삽입되는 4개의 돌출 바를 포함하는 그라운드 플레이트;
    를 포함하여 이루어지고, 상기 4개의 홈 중 180도 간격으로 배치된 한 쌍의 홈의 일측에 위치한 전극은 홈의 시계방향 일측에 위치하고, 나머지 한 쌍의 홈의 일측에 위치한 전극은 홈의 반시계방향 일측에 위치하며, 외부로부터 힘/토크가 작용하였을 때 상기 그라운드 플레이트는 상기 센싱 플레이트에 대해 상대적으로 이동하되, 상기 4개의 전극과 상기 4개의 돌출 바 사이의 중첩 면적은 변하지 않는 것을 특징으로 하는 정전용량형 토크센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 플레이트는 상기 중심점을 중심으로 하는 원형 플레이트이며, 상기 4개의 홈은 상기 원형 플레이트의 원주로부터 상기 원형 플레이트의 내측을 향해 절개된 홈인 것을 특징으로 하는 정전용량형 토크센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 홈은 상기 원형 플레이트의 원주로부터 상기 중심점을 향하는 절개선에 의해 절개된 홈인 것을 특징으로 하는 정전용량형 토크센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 홈은 상기 중심점을 중심으로 회전 대칭 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 정전용량형 토크센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 4개의 홈에 각각 삽입된 상기 돌출 바는 상기 전극과 평행한 것을 특징으로 하는 정전용량형 토크센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 돌출바의 단면이 등변사다리꼴인 것을 특징으로 하는 정전용량형 토크센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 플레이트는 인쇄회로기판인 것을 특징으로 하는 정전용량형 토크센서.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 상기 홈에 삽입된 돌출 바와 각각의 상기 홈의 일측에 위치한 전극에 의해 제1 내지 제4 센싱셀이 구성되고,
    상기 센싱 플레이트와 평행한 평면에서 서로 직교하는 두 개의 축을 X축, Y축, 그리고 상기 X축과 Y축에 수직한 축을 Z축이라고 할 때 X축 힘/토크, Y축 힘/토크, Z축 토크의 발생에 의해 상기 제1 내지 제4 센싱 셀 중 서로 180도 간격으로 배치된 한 쌍의 센싱셀은 서로 반대 되는 정전용량 변화를 갖고, Z축 방향 힘에 의해 상기 제1 내지 제4 센싱셀에서의 정전용량 변화는 없으며, Z축 방향 토크에 의해 서로 180도 간격으로 배치된 두 쌍의 센싱셀 중 한 쌍의 정전용량은 증가하고 나머지 한 쌍의 정전용량은 감소하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 토크센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 센싱셀에서의 정전용량 변화값과 아래 수식을 이용하여 센싱값(M)을 출력하는 연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 토크센서.
    M=SF1*Cell1-SF2*Cell2+SF3*Cell3-SF4*Cell4
    여기서, Cell1은 제1 센싱셀의 정전용량 변화값, Cell2는 제2 센싱셀의 정전용량 변화값, Cell3은 제3 센싱 셀의 정전용량 변화값, Cell4는 제4 센싱셀의 정전용량 변화값이며, SF1, SF2, SF3, SF4는 각 센싱 셀에 대한 가중치임
  10. 제9항에 있어서,
    상기 센싱값은 상기 Z축 토크가 인가되었을 때에만 출력되며, 상기 X축 힘/토크, Y축 힘/토크, Z축 힘이 인가되었을 때 상기 센싱값은 0인 것을 특징으로 하는 정전용량형 토크센서.
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