KR101998983B1 - 진동, 압력 측정을 위한 피에조 센서 및 그 피에조센서의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진동, 압력 측정을 위한 피에조 센서 및 그 피에조센서의 제조방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 매설되어 매설되어 가압되는 압력, 진동을 측정하기 위한 센서에 있어서, 납작한 형태의 박판 형태을 갖고 컨덕터를 형성하는 전도체; 상기 전도체의 외면에 구비되는 피에조필름층; 및 상기 피에조필름의 외면에 길이방향을 따라 금속을 절곡하여 상기 피에조필름층을 감사는 형태로 제작되는 그라운드층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동, 압력 측정을 위한 피에조 리본센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

진동, 압력 측정을 위한 피에조 센서 및 그 피에조센서의 제조방법{Piezosensor measuring vibration, pressure and method for manufactiring the piezosensor}

본 발명은 진동, 압력 측정을 위한 피에조 센서 및 그 피에조센서의 제조방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 도로 등에 매설되어 도로 상을 통행하는 자동차 등의 압력을 감지하기 위한 피에조 센서 및 그 제조방법에 대한 것이다.

산업 발달에 따라 차량의 수가 늘어나면서, 도로 상을 주행하는 차량의 수를 파악하거나, 과적 차량을 단속하는 등의 목적으로 도로에 센서를 설치하고 있다. 피에조센서는 도로에 설치되어, 차량이 지나갈 때 바퀴를 통하여 차량 무게에 의한 압력을 감지하는 센서이다.

도 1은 피에조 센서와 루프 센서가 매립된 상태의 도로의 모식도를 도시한 것이다. 그리고 도 2는 피에조 센서가 도로에 매립된 상태의 사용상태도를 도시한 것이다 또한, 도 3은 피에조 센서가 매설과정을 나타낸 단면도를 도시한 것이고, 도 4는 자동차가 통과하는 경우의 압력 변화 그래프를 도시한 것이다.

또한, 도 5는 종래 동관 피복 피에조 센서의 사시도를 도시한 것이고, 도 6은 종래 피에조 센서의 제조방법의 흐름도를 도시한 것이며, 도 7은 종래 피에조 센서의 센서부의 단면도를 도시한 것이다.

도 1, 도 2, 도 3, 도 4에 도시된 바와 같이, 피에조센서는 도로에 매설되어 사용된다. 즉, 도로에 홈을 가공한 뒤 그 안에 피에조센서(1)를 매설하여 도로에 피에조센서(1)가 설치되도록 하는 것이다. 도로에 매설된 피에조센서(1)는 그 위로 지나가는 자동차 바퀴에 의한 압력을 감지하여 전기적 신호를 발생시키게 되며, 이렇게 발생된 전기적 신호는 케이블을 통해 도로변에 별도로 설치된 처리장치(미도시)에 전달된다. 처리장치(미도시)에서는 전달받은 전기적신호를 바탕으로 도로 상을 통과하는 자동차의 종류, 통행량, 과적여부 등의 정보를 취득하게 된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 종래 피에조센서(1)는 자동차에 의한 압력을 전기신호로 변환하는 센서부(2)와, 센서부(2)에서 발생된 전기신호를 전달하는 케이블(6), 케이블(6)과 센서부(2)를 연결하는 외부튜브(3), 센서부(2)끝단에 장착되는 캡(4)을 포함한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 그 제조방법은 먼저 전도체(11)의 표면에 길이방향을 따라 제1피에조필름(21)을 나선형태로 감고(S1), 전기신호를 전달하는 전도체(11)의 표면에 감기는 제1피에조필름(21)은 불화비닐리덴수지(PVDF)의 1축연신 필름을 고전압으로 분극 처리한 고분자강유전체로서, 가해지는 압력에 따라 전류를 발생한다. 따라서 압전효과에 의해 발생하는 전류가 전도체 및 제1피에조필름(21)을 통해 안정적으로 흐를 수 있게 된다.

전도체 표면에 제1피에조필름(21)을 감은 다음, 그 위에 다시 제2피에조필름(22)을 감는다(S2). 다음으로, 피에조필름(21,22)이 감긴 전도체(11)를 롤러에 통과시켜, 전도체(11)를 상하로 눌린 납작한 형상으로 만든다(S3).

전도체(11)와 피에조필름(21,22) 및 금속튜브(5)는 피에조센서(1)에 있어서 센서부(2)를 구성하게 되는데, 센서부(2)를 상하로 눌린 납작한 형상으로 만들기 위한 사전 단계에 해당한다.

그리고 나서, 납작한 형상이 된 전도체(11) 및 피에조필름(21,22)을 금속튜브(5)에 삽입한다(S4). 금속 튜브(5)는 전도체(11) 및 피에조필름(21,22)을 둘러싸는 금속재질의 튜브로써, 피에조센서(1)의 형태, 보다 구체적으로는 센서부(2)의 형태를 유지하고, 전도체(11) 및 피에조필름(21,22)의 파손을 방지한다.

작업의 편의성을 높이기 위하여 위 공정에 앞서 단면이 원형인 금속튜브(5)를 미리 상하로 적당히 눌러 금속튜브(5)의 단면이 납작해진 전도체(11)의 형상에 상응하도록 준비해 놓고(S5), 통상의 금속튜브(5)는 단면이 원형일 것이므로, 금속튜브(5)를 미리 어느 정도 납작하게 만들어 놓음으로써 전도체(11)와 피에조필름(21,22)이 금속튜브(5) 내에 수월하게 삽입되도록 할 수 있다.

그리고, 금속튜브(5) 내에 전도체(11) 및 피에조필름(21,22)이 삽입되면(S6), 전도체(11)가 삽입된 금속튜브(5)를 롤러에 통과시켜 금속튜브(5)를 상하로 눌린 납작한 형상으로 만든다(S6). 따라서 이러한 종래 센서부(2)는 도 7에 도시된 바와 같이, 상하로 눌린 납작한 형상을 갖게 된다.

이와 같이 종래 센서부(2)가 납작한 형상, 즉 좌우 폭이 상하 깊이보다 크게 형성되도록 상하로 눌려 상면이 평평한 형상을 가지게 되면, 압력이 가해지는 상측 방향에서 피에조필름과 금속튜브(5)가 접촉되는 면적을 증가시킬 수 있어 이상적인 출력전압을 얻을 수 있는 C값(전하량)을 얻을 수 있다. 또한, 센서부(2)가 전체적으로 납작한 형상을 가지게 됨에 따라 도로에 가공되어야 하는 홈의 깊이를 줄일 수 있어, 홈 가공에 따른 도로의 파손을 줄일 수 있으며, 홈 가공 역시 수월해질 수 있다.

그러나 이러한 종래 AVC용 피에조 센서는 구조적으로 품질관리가 어려움, 비싼 가격과 제한적인 내구성이다.

타원형 동관에 피에조 필름을 감은 전도체를 삽입후 롤러를 통해서 압착하는 방식으로 인하여 제품의 품질에서 있어 센서의 길이 방향으로 위치에 따라 압착정도에 차이가 발생하게 된다. 롤로 압착의 경우 타원형 동관 안의 내용물을 압착과 동시에 센서의 길이 방향으로 밀어내는 성향이 있다. 또한 압착이 너무 많이 되는 경우, 필름이 뭉치게 되는 경우, 부분적으로는 압착이 덜 되는 경우 등이 발생하게 되고 이들 위치별로 출력전의 크기에 차이가 발생하게 된다. 심지어 압착이 필요 이상으로 과하게 되는 경우 피에조 필름을 파손시켜서 외부 전극과 필름내부의 전극을 붙게 만들어 합선되는 효과를 발생시킬수도 있다.

이러한 원인으로 인하여 기존의 외국 제품의 경우 만들어진 완성품에 대해서 센서의 길이방향으로 실내에서 센서의 위치별로 일정 압력을 가해서 발생되는 출력 전원의 정밀도 근거로 오차 ±7%이내면, Class I, 그 이상이면 Class II로 구분하여 전자는 차량중량용으로 사용하고 후자는 차종분류용(AVC)으로 활용하게 된다.

이와같이 기존 롤러 압착방식에서는 만들어진 제품에 대해서 정밀도 평가후 센서의 등급을 할당한다는 것은 롤러에 의해서 압착하는 방식으로는 센서의 출력전원의 균일성을 생산단계에서 완벽하게 제어하지 못한다는 것의 증거이기도 하다.

피에조 센서의 수명은 평균 70개월 정도로 짧지 않지만, 피에조 케이블과 리드케이블 사이의 접합부분의 단선과 동관 내수분침투가 주요 파손원인으로 지적되고 있다. 피에조 부분의 경우, 손상을 입거나 끊어지더라도 나머지 부분에서 제 역할을 하기 때문에, 피에조형식의 축검지센서는 잠재적인 수명이 매우 길다.

센서의 단순한 원리 및 구조에 비해 가격이 고가인데, 금속튜브를 사용하는 부분과 타원형으로 성형해야하는 과정에서 가격이 상승하게 된다.

또한 기존 제품은 센서와 동축케이블간의 연결부가 끝단에 설치된다. 이는 전통적으로 센서의 신호를 받는 제어기가 다차로 도로 갓길에 설치되어 있는 경우를 염두에 두고 만들어진 제품 형태이다. 본 발명에서 센서에서 발생된 전원을 수집하는 제어기가 해당 차로 중앙에 위치할 때를 고려하여 발생 신호를 전달하는 케이블이 센서 중간부분 등 끝단을 비롯한 모든 부분에 설치 가능하다.

따라서 센서부를 압착하는 공정과, 타원형 금속튜브를 제작, 압착시키는 공정을 생략하여 보다 효율적, 경제적, 신속하게 더욱 정밀한 피에조 센서를 제작할 수 있는 방법이 요구되었다.

대한민국 등록특허 제1472550호 대한민국 등록특허 제1718667호 미국 등록특허 제5571961호 미국 등록특허 제6526834호

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 납작한 형태의 전도체 컨덕터에 피에조 필름을 나선형으로 길이방향을 따라 연속적으로 권취시키고, 연속적으로 금속 매쉬형태의 전도체 그라운드층을 편조하면서 피에조 필름 외면을 둘러싸도록 제작하여, 종래, 타원형 금속튜브를 제작하는 공정, 제작공정에서 피에조 센서를 압착하는 공정 없이도 압착력을 유지할 수 있고, 압착공정을 줄일 수 있어 신속하고 경제적으로 피에조 센서를 제조할 수 있는 데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1목적은, 매설되어 가압되는 압력, 진동을 측정하기 위한 센서에 있어서, 납작한 형태의 단면을 갖고 컨덕터를 형성하는 전도체; 상기 전도체의 외면에 구비되는 피에조필름층; 및 상기 피에조필름층의 외면에 길이방향을 따라 금속층을 절곡하여 제조되는 그라운드층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동, 압력 측정을 위한 피에조 센서로서 달성될 수 있다.

그리고 전도체의 단면은 직사각형, 타원형 또는 아치형인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 피에조 필름은 상기 전도체의 길이방향을 따라 감거나, 상기 전도체의 상부, 하부 각각에 위치되거나, 도는 봉투 형태로 미리 제작하여 씌우는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 그라운드층은 금속층을 절곡하여 상기 피에조 필름층을 감싸거나, 상부와 하부 각각에 위치되거나, 또는 길이방향으로 편조되어 상기 피에조 필름 층을 감싸는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 피에조 필름층 외면에 코팅되거나, 상기 피에조 필름층과 상기 그라운드층 사이에 충진되는 전도성 물질을 더 포함하여 공극을 메우도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 그라운드층은 상기 피에조 필름층의 하면에 위치되는 하면부와, 상기 하면부의 일측 선분 상에 서로 특정간격 이격되어 구비되는 제1덮개부와, 상기 하면부의 타측 선분 상에 상기 제1덮개부의 사이 공간에 대응된 위치에 서로 특정간격 이격되어 구비되는 제2덮개부를 포함하고, 상기 하면부를 상기 피에조 필름층 하면에 위치시킨 후, 상기 제1덮개부와 상기 제2덮개부를 절곡시켜 상기 피에조 필름층 상면에 압착되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 그라운드층 외면에 형성되는 피복층을 더 포함하여 방습 반진 성능을 갖게 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은 매설되어 가압되는 압력, 진동을 측정하기 위한 센서의 제조방법에 있어서, 납작한 형태의 단면을 갖고 컨덕터를 형성하는 전도체를 길이방향으로 연속적으로 공급하는 단계; 상기 전도체의 외면에 피에조 필름을 감싸는 단계; 상기 피에조필름층의 외면에 길이방향을 따라 금속이 감싸는 형태로 연속적으로 설치되거나 매쉬형태로 편조하여 그라운드층을 형성시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동, 압력 측정을 위한 피에조 센서의 제조방법으로서 달성될 수 있다.

그리고 피에조 필름은 상기 전도체의 길이방향을 따라 감거나, 상기 전도체의 상부, 하부 각각에 위치되는 것, 봉투 형태로 미리 제작하여 씌우는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 피에조 필름층 외면에 코팅되거나, 상기 피에조 필름층과 상기 그라운드층 사이에 충진되는 전도성 물질을 충진하여 공극을 메우도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 그라운드층을 형성시키는 단계에서, 상기 피에조 필름층의 하면에 그라운드층을 위치시키고 양단을 절곡시켜 상기 피에조필름층 상면에 압착시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 그라운드층을 형성시키는 단계에서 하면부와, 상기 하면부의 일측 선분 상에 서로 특정간격 이격되어 구비되는 제1덮개부와, 상기 하면부의 타측 선분 상에 상기 제1덮개부의 사이 공간에 대응된 위치에 서로 특정간격 이격되어 구비되는 제2덮개부를 포함하는 그라운드층을 상기 피에조 필름층 하면에 위치시킨 후, 상기 제1덮개부와 상기 제2덮개부를 절곡시켜 상기 피에조 필름층 상면에 압착시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 그라운드층 외면에 피복층을 형성시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기에 제작된 피에조 센서를 모듈화하여 직렬 혹은 병렬로 연결하여 사용할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 피에조센서의 제조방법에 따르면, 납작한 형태의 전도체에 피에조 필름을 길이방향을 따라 연속적으로 감고, 연속적으로 금속을 상기 전도체에 권취된 피에조필름층을 감싸는 형태로 절곡하여 그라운드층을 제작하여, 종래, 타원형 금속튜브를 제작하는 공정, 제작공정에서 피에조 센서를 압착하는 공정 없이도 압착력을 유지할 수 있고, 압착공정을 줄일 수 있어 신속하고 경제적으로 좀더 정밀한 피에조 센서를 제조할 수 있으며, 컨덕터와 피에조필름층, 피에조필름층과 그라운드의 각 층 사이에 전도성 물질로 중진하거나 코팅하여 공극을 제거하면 신호특성을 좋게 하는 효과를 갖는다.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 피에조 필름은 위 아래에 평행하게 부착할 수 있으며, 봉투형식으로 제작하여 한겹 혹은 여러겹을 전도체에 감쌀 수 있다. 피에조 필름의 겹수가 늘어나는 것은 신호의 크기를 크게하는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 센서를 모듈화하여 직렬 혹은 병렬로 연결하여 사용하는 것은 센서 규격과 형태를 자유롭게 하는 효과를 갖고, 각 모듈이 서로 다른 형태의 컨덕터층을 사용하였을 경우 신호의 특성이 서로 다르므로, 두 개 이상의 모듈 신호가 하나의 채널로 수집되는 경우에도 각 모듈의 상태를 진단 할 수 있는 효과를 갖는다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다
도 1은 피에조 센서와 루프 센서가 매립된 상태의 도로의 모식도,
도 2는 피에조 센서가 도로에 매립된 상태의 사용상태도,
도 3은 피에조 센서가 매설과정을 나타낸 단면도,
도 4는 자동차가 통과하는 경우의 압력 변화 그래프,
도 5는 종래 동관 피복 피에조 센서의 사시도,
도 6은 종래 피에조 센서의 제조방법의 흐름도,
도 7은 종래 피에조 센서의 센서부의 단면도,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 진동, 압력 측정을 위한 피에조 센서의 제조방법의 흐름도,
도 9a, 도 9b, 도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 전도체의 단면도,
도 10a는 본 발명의 실시예에 따른 전도체에 제1피에조필름이 권취된 상태의 평면도,
도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 전도체에 제1피에조필름이 권취된 상태의 단면도,
도 11a는 본 발명의 실시예에 따른 전도체에 제1,제2피에조필름이 권취된 상태의 평면도,
도 11b는 본 발명의 실시예에 따른 전도체에 제1,제2피에조필름이 권취된 상태의 단면도,
도 12a는 본 발명의 실시예에 따라 전도체 상부와 하부 각각에 피에조 필름이 위치된 상태의 사시도,
도 12b는 본 발명의 실시예에 따라 전도체 상부와 하부 각각에 피에조 필름이 위치된 상태의 단면도,
도 12c는 본 발명의 실시예에 따라 피에조 필름을 봉투 형태로 접는 상태의 사시도,
도 12d는 본 발명의 실시예에 따라 봉투 형태로 접은 피에조 필름을 접착제나 열선으로 한쪽 모서리를 부착한 상태의 사시도,
도 13은 본 발명의 실시예에 따라 금속판에 절곡을 위한 가이드를 표시한 상태의 사시도,
도 14a, 도 14b, 도 14c도 14d는 본 발명의 실시예에 따라 금속판을 절곡시켜 그라운드층을 형성하는 과정을 나타낸 단면도,
도 15는 본 발명의 실시예에 따라 하면부와 제1덮개부, 제2덮개부를 갖는 그라운드층의 평면도,
도 16a는 본 발명의 실시예에 따라 제1덮개부와 제2덮개부를 절곡하여 피에조필름층 외면으로 그라운드 층을 형성한 단면도,
도 16b는 도 16a의 평면도,
도 17은 본 발명의 실시예에 따라 그라운드층 외면으로 피복층을 형성한 피에조센서의 단면도,
도 18은 본 발명의 실시예에 따라 그라운드 층을 형성할 금속 메쉬,
도 19는 본 발명의 실시예에 따라 피에조 필름 외면으로 금속 메쉬 형태의 그라운드층을 편조시킨 상태의 단면도,
도 20a, 도 20b는 본 발명의 실시예에 따른 그라운드층을 상부와 하부 각각에 위치시킨 상태의 단면도,
도 20c는 본 발명의 실시예에 따른 그라운드층을 레일형태로 제작하여 끼워 만드는 형태의 단면도,
도 21은 본 발명의 실시예에 따라 피에조 필름과 그라운드층 사이에 전도성물질을 충진시킨 상태의 단면도,
도 22는 본 발명의 실시예에 따라 기존 도로 측면에 제어기가 설치된 상태에서 센서와 제어기를 연결한 모습을 나타내는 평면도,
도 23은 본 발명의 실시예에 따라 제어기 혹은 데이터수집 장비가 차로 중앙에 설치되었을 때, 센서의 중앙부에 커넥터를 연결할 수 있는 모습을 나타내는 평면도를 도시한 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 피에조 센서(100)의 구성 및 제조방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 진동, 압력 측정을 위한 피에조 센서(100)의 제조방법의 흐름도를 도시한 것이다.

먼저, 납작한 형태의 단면을 갖고 컨덕터를 형성하는 전도체(11)를 길이방향으로 공급하게 된다(S10). 도 9a, 도 9b, 도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 전도체(11)의 단면도를 도시한 것이다. 도 9a, 도 9b, 도 9c에 도시된 바와 같이, 전도체(11)의 단면은 직사각형, 타원형 또는 아치형으로 구성될 수 있음을 알 수 있다.

그리고 전도체(11)의 외면에 피에조필름층(20)을 형성시키게 된다(S20). 도 10a는 본 발명의 실시예에 따른 전도체(11)에 제1피에조필름(21)이 권취된 상태의 평면도를 도시한 것이고, 도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 전도체(11)에 제1피에조필름(21)이 권취된 상태의 단면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 11a는 본 발명의 실시예에 따른 전도체(11)에 제1,제2피에조필름(21,22)이 권취된 상태의 평면도를 도시한 것이고, 도 11b는 본 발명의 실시예에 따른 전도체(11)에 제1,제2피에조필름(21,22)이 권취된 상태의 단면도를 도시한 것이다. 또한, 도 12a는 본 발명의 실시예에 따라 전도체(11) 상부와 하부 각각에 피에조필름층이 위치된 상태의 사시도를 도시한 것이고, 도 12b는 본 발명의 실시예에 따라 전도체(11) 상부와 하부 각각에 피에조필름층이 위치된 상태의 단면도를 도시한 것이다. 도 12c는 본 발명의 실시예에 따라 피에조필름층을 봉투 형태로 접는 상태의 사시도를 도시한 것이고, 도 12d는 본 발명의 실시예에 따라 봉투 형태로 접은 피에조필름층을 접착제나 열선으로 한쪽 모서리를 부착한 상태의 사시도를 도시한 것이다.

도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 피에조필름층은 전도체(11)의 길이방향을 따라 나선형으로 감을 수도 있고, 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이, 상기 전도체(11)의 상부, 하부 각각에 위치될 수도 있다.

또한, 도 12c 및 도 12d에 도시된 바와 같이, 는 본 발명의 실시예에 따른 피에조필름층을 봉투 형태로 접고, 봉투 형태로 접은 피에조필름층을 접착제나 열선으로 한쪽 모서리를 부착하여 형성시킬 수도 있음을 알 수 있다.

또한, 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 전도체(11)를 제1 피에조필름(21)으로 나선 형태로 감아 둘러싸고, 제1 피에조필름(21) 상에 길이방향의 축을 기준으로 제1 피에조필름(21)과 대칭인 방향으로 제2 피에조필름(22)을 감아 구성될 수 있다.

즉, 전기신호를 전달하는 전도체(11)의 표면에 감기는 제1 피에조필름(21)은 불화비닐리덴수지(PVDF)의 1축연신 필름을 고전압으로 분극 처리한 고분자강유전체로서, 가해지는 압력에 따라 전류를 발생한다.

한편, 제1 피에조필름(21)은 일부가 중첩되도록 감기는데, 그 결과 전도체(11)의 표면에는 다층구조의 피에조필름층(20)이 형성될 수 있게 된다. 그로 인해 압전효과에 의해 발생하는 전류가 전도체(11) 및 제1 피에조필름(21)을 통해 안정적으로 흐를 수 있게 된다.

전도체(11) 표면에 제1 피에조필름(21)을 감은 다음, 그 위에 다시 제2 피에조필름(22)을 감을 수 있다. 이 경우 제2 피에조필름(22)은 전도체(11)의 길이방향의 축을 기준으로 제1 피에조필름(21)과 대칭인 방향으로 감길 수 있는데, 이렇게 이중으로 피에조필름층을 감게 되면, 본 실시예에 따른 피에조센서(100)가 도로에 매설되는 과정에서 외력에 의해 피에조필름층이 일방향으로 밀리는 현상이 발생하더라도 전도체(11) 표면에 빈틈 없이 피에조필름층이 감기도록 할 수 있어 피에조센서(100)의 신뢰도를 확보할 수 있게 된다. 제2 피에조필름(22) 역시 제1 피에조필름(21)의 경우와 마찬가지로 일부가 중첩되도록 감길 수 있음은 물론이다.

그리고 피에조필름층(20)의 외면에 길이방향을 따라 그라운드층(30)을 형성시키게 된다(S30). 그리고, 피에조필름층(20)에 금속판을 위치시키고 양단을 절곡시켜 피에조필름층(20) 상면에 압착시켜 그라운드층을 형성시킬 수도 있다. 도 13은 본 발명의 실시예에 따라 금속판에 절곡을 위한 가이드를 표시한 상태의 사시도를 도시한 것이다.

그리고 도 14a, 도 14b, 도 14c, 도 14d는 본 발명의 실시예에 따라 금속판을 절곡시켜 그라운드층(30)을 형성하는 과정을 나타낸 단면도를 도시한 것이다. 금속판을 절곡시켜 피에조필름층(20)을 감싸도록 구성함으로써 시공성과 압착성을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 도 14b에 도시된 바와 같이, 양단을 절곡시킨 후, 압착용 장치를 통해 압착용 부재를 걸림턱이 구비된 위치까지 이동시켜 그라운드층(30)을 형성시킬 수 있다.

도 15는 본 발명의 실시예에 따라 하면부(31)와 제1덮개부(32), 제2덮개부(33)를 갖는 그라운드층(30)의 평면도를 도시한 것이다. 그리고 도 16a는 본 발명의 실시예에 따라 제1덮개부(32)와 제2덮개부(33)를 절곡하여 피에조필름층(20) 외면으로 그라운드 층을 형성한 단면도를 도시한 것이고, 도 16b는 도 16a의 평면도를 도시한 것이다.

도 15에 도시된 바와 같이, 피에조필름층(20)의 하면에 위치되는 하면부(31)와, 하면부(31)의 일측 선분 상에 서로 특정간격 이격되어 구비되는 제1덮개부(32)와, 하면부(31)의 타측 선분 상에 제1덮개부(32)의 사이 공간에 대응된 위치에 서로 특정간격 이격되어 구비되는 제2덮개부(33)를 포함하는 형태의 그라운드층(30)을 적용할 수 있다.

즉 이러한 형태의 그라운드층(30)의 하면부(31)를 피에조필름층(20) 하면에 위치시킨 후, 도 16a 및 도 16b에 도시된 바와 같이, 제1덮개부(32)와 제2덮개부(33)를 절곡시켜 피에조필름층(20) 상면에 압착하여 그라운드 층을 형성시킬 수 있다.

마지막으로, 그라운드층(30) 외면에 방수와 보호를 위해 PVC 등으로 구성될 수 있는 피복층(14)을 형성시키게 된다(S40). 도 17은 본 발명의 실시예에 따라 그라운드층(30) 외면으로 피복층을 형성한 피에조센서(100)의 단면도를 도시한 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 타원형태의 금속튜브를 사용하지 않고 압착시키는 공정없이 금속매쉬를 편조하면서 피에조필름층(20)의 외면으로 그라운드층(30)을 형성시킬 수 있다. 도 18은 본 발명의 실시예에 따라 그라운드층(30)을 형성할 금속 메쉬를 도시한 것이다. 그리고, 도 19는 본 발명의 실시예에 따라 피에조필름층(20) 외면으로 금속 메쉬 형태의 그라운드층(30)을 편조시킨 상태의 단면도를 도시한 것이다. 또한, 도 20a, 도 20b는 본 발명의 실시예에 따른 그라운드층(30)을 상부와 하부 각각에 위치시킨 상태의 단면도를 도시한 것이다.

또한, 도 20c는 본 발명 실시예에 따라 금속을 레일 형태로 만들어 끼워 만드는 형태의 단면도를 도시한 것이다. 도 20c에 도시된 바와 같이, 금속판 형태의 그라운드층의 양단을 절속시킨 후, 레일형태로 끼워서 그라운드층을 결합시킬 수도 있다.

또한, 그라운드층(30)을 형성시키기 전에, 피에조필름층(20) 외면에 전도성 물질(40)을 코팅시킬 수 있다. 또는 그라운드층(30)을 형성시킨 후, 피에조필름층(20)과 그라운드층(30) 사이에 전도성 물질(40)을 충진시킬 수도 있다. 도 21은 본 발명의 실시예에 따라 피에조필름층(20)과 그라운드층(30) 사이에 전도성물질(40)을 충진시킨 상태의 단면도를 도시한 것이다.

도 22는 본 발명의 실시예에 따라 기존 도로 측면에 제어기가 설치된 상태에서 센서와 제어기를 연결한 모습을 나타내는 평면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 23은 본 발명의 실시예에 따라 제어기 혹은 데이터수집 장비가 차로 중앙에 설치되었을 때, 센서의 중앙부에 커넥터를 연결할 수 있는 모습을 나타내는 평면도를 도시한 것이다. 도 22에 도시된 바와 같이, 현장제어기와 연결되는 전원유도 케이블이 피에조 센서의 끝단에 위치되는 경우, 피에조 센서의 끝단에 유도선 연결용 커넥터가 구비되며, 도 23에 도시된 바와 같이, 현장제어기가 한 쌍의 피에조 센서 사이에 위치되는 경우 유도선 연결용 커넥터가 피에조 센서의 중단에 구비될 수 있음을 알 수 있다.

또한, 다양한 센서 연결용 커넥터를 통해 상기에 제작된 피에조 리본센서, 피에조 케이블을 모듈화하여 직렬 혹은 병렬로 연결하여 사용할 수 있다. 따라서 센서를 모듈화하여 직렬 혹은 병렬로 연결하여 사용하는 것은 센서 규격과 형태를 자유롭게 하는 효과를 갖는다. 각 모듈이 서로 다른 형태의 컨덕터층을 사용 하였을 경우 신호의 특성이 서로 다르므로, 두 개 이상의 모듈 신호가 하나의 채널로 수집되는 경우에도 각 모듈의 상태를 진단 할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1:종래 피에조 센서
2:센서부
3:외부튜브
4:캡
5:금속튜브
6:케이블
7:유도선
8:현장제어기
11:전도체
14:피복층
20:피에조필름층
21:제1피에조필름
22:제2피에조필름
30:그라운드층
31:하면부
32:제1덮개부
33:제2덮개부
40:전도성물질
100:진동, 압력 측정을 위한 피에조 센서

Claims (15)

1. 매설되어 가압되는 압력, 진동을 측정하기 위한 센서에 있어서,
   납작한 형태의 박판 형태를 갖고 컨덕터를 형성하는 전도체;
   상기 전도체의 외면에 구비되는 피에조필름층; 및
   상기 피에조필름층의 외면에 길이방향을 따라 금속을 절곡하여 상기 피에조필름층을 감싸는 형태로 제작되는 그라운드층;을 포함하고,
   상기 피에조필름층을 ㄷ자 형태의 제1그라운드층 가운데에 위치시키고 이를 감싸는 레일 형태의 금속인 제2그라운드층에 끼우는 형태로 감싸는 것을 특징으로 하는 진동, 압력 측정을 위한 피에조 리본센서.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 전도체의 단면은 직사각형, 타원형 또는 아치형의 박판인 것을 특징으로 하는 진동, 압력 측정을 위한 피에조 리본센서.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 피에조필름층은 상기 전도체를 봉투형태로 한겹 및 여러겹을 씌우거나. 상기 전도체의 상부, 하부 각각에 위치되거나, 또는 길이방향으로 권취되는 것을 특징으로 하는 진동, 압력 측정을 위한 피에조 리본센서.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 그라운드층은 메쉬형태로 편조되면서 상기 피에조필름층을 감싸거나, 상부와 하부 각각 금속이 연속적으로 설치되는 것을 특징으로 하는 진동, 압력 측정을 위한 피에조 리본센서.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 피에조필름층 외면에 코팅되거나, 상기 피에조필름층과 상기 그라운드층 사이에 충진되는 전도성 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동, 압력 측정을 위한 피에조 리본센서.
   
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,
   상기 그라운드층은 상기 피에조필름층의 하면에 위치되는 하면부와, 상기 하면부의 일측 선분 상에 서로 특정간격 이격되어 구비되는 제1덮개부와, 상기 하면부의 타측 선분 상에 상기 제1덮개부의 사이 공간에 대응된 위치에 서로 특정간격 이격되어 구비되는 제2덮개부를 포함하고,
   상기 하면부를 상기 피에조필름층 하면에 위치시킨 후, 상기 제1덮개부와 상기 제2덮개부를 절곡시켜 상기 피에조필름층 상면에 압착되는 것을 특징으로 하는 진동, 압력 측정을 위한 피에조 리본센서.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 그라운드층 외면에 형성되는 피복층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동, 압력 측정을 위한 피에조 리본센서.
   
9. 매설되어 가압되는 압력, 진동을 측정하기 위한 센서의 제조방법에 있어서,
   납작한 형태의 박판형태를 갖고 컨덕터를 형성하는 전도체를 길이방향으로 연속 공급하는 단계;
   상기 전도체의 외면에 피에조필름층을 연속적으로 권취시키거나 상,하에 설치하는 단계;
   상기 피에조필름층의 외면에 그라운드층을 형성시키기 위해 길이방향을 따라 하면에 그라운드층을 위치시키고 양단을 절곡시켜 상기 피에조필름층 상면에 압착시키는 단계;를 포함하고,
   상기 피에조필름층 상면에 압착시키는 단계에서
   하면부와, 상기 하면부의 일측 선분 상에 서로 특정간격 이격되어 구비되는 제1덮개부와, 상기 하면부의 타측 선분 상에 상기 제1덮개부의 사이 공간에 대응된 위치에 서로 특정간격 이격되어 구비되는 제2덮개부를 포함하는 그라운드층을 상기 피에조필름층 하면에 위치시킨 후, 상기 제1덮개부와 상기 제2덮개부를 절곡시켜 상기 피에조필름층 상면에 압착시키는 것을 특징으로 하는 진동, 압력 측정을 위한 케이블 형태의 피에조 센서의 제조방법.
   
10. 제 9항에 있어서,
    상기 피에조필름층 외면에 전도성 물질을 코팅시키는 단계 또는 상기 피에조필름층과 그라운드층 사이에 전도성 물질을 충진시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동, 압력 측정을 위한 케이블 형태의 피에조 센서의 제조방법.
    
11. 삭제
12. 삭제
13. 제 9항에 있어서,
    상기 그라운드층 외면에 피복층을 형성시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동, 압력 측정을 위한 케이블 형태의 피에조 센서의 제조방법.
    
14. 제 9항에 있어서,
    상기 제작된 피에조 센서 끝단을 커넥터와 동축케이블로 연결하는 단계; 또는 피에조 센서의 중간부 및 필요에 따라 모든 위치에 커넥터와 동축케이블을 연결하는 단계를 특징으로 하는 진동, 압력 측정을 위한 케이블 형태의 피에조 센서의 제조방법.
    
15. 제 9항에 있어서,
    상기에 제작된 피에조 리본센서, 피에조 케이블을 모듈화하여 직렬 혹은 병렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 진동, 압력 측정을 위한 케이블 형태의 피에조 센서의 제조방법.

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