KR102288972B1 - 정전용량형 힘센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정전용량형 힘센서에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 힘센서는 기판, 상기 기판의 표면에 형성된 복수 개의 표면 전극, 상기 기판을 관통하여 형성된 중공형 홀전극, 및 상기 표면 전극 및 홀전극으로부터 정전용량을 측정하되 상기 홀전극으로부터 측정된 정전용량을 이용하여 주변 습도를 결정하고 결정된 습도로 상기 표면 전극으로부터 측정된 정전용량을 보상하는 측정부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

정전용량형 힘센서 {CAPACITIVE FORCE SENSOR}

본 발명은 정전용량형 힘센서에 관한 것이다. 보다 구체적으로 힘을 측정하는 주변 환경의 온도, 습도가 변하고 고전압이 인가되더라도 정확한 힘 측정이 가능한 정전용량형 힘센서에 관한 것이다.

3축 이상의 힘 센서의 경우 높은 가격으로 인해 로봇 등 힘 센서가 필요한 분야에서 널리 사용하기가 어려웠으나 한국등록특허 제10-1533920호 등 정전용량을 이용한 단순한 구조의 힘센서의 개발로 힘센서는 다양한 분야에 사용될 수 있게 되었다.

그러나 정전용량형 힘센서의 경우 힘센서가 사용되는 주변 환경의 온도, 습도가 변하는 경우 측정값에 영향을 받게되고, 이는 센서의 신뢰성과 정확도를 저하시키는 요인이 되었다.

따라서 온도, 습도 등이 변하는 환경에서는 정전용량형 힘센서를 사용하지 못하는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 환경보상이 가능한 정전용량형 힘센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 습도에 의한 영향 제거가 가능한 힘센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 온도에 의한 영향 제거가 가능한 힘센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 고전압의 영향을 방지할 수 있는 힘센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 및 기타 목적들은, 본 발명에 따른 환경보상이 가능한 정전용량형 힘센서에 의해 모두 달성될 수 있다.

본 발명은 습도, 기생용량, 고전압에 의해 영향받지 않는 정전용량형 힘센서를 제공하는 효과를 갖는다. 또한 본 발명의 정전용량형 힘센서는 수술용 집게에 사용 가능할 정도로 소형 제작이 가능하여 환경보상이 가능한 정전용량형 힘센서를 제공하는 효과를 갖는다.

제1도는 본 발명의 일 실시예에 따른 힘센서의 사시도이다.
제2도는 본 발명의 일 실시예에 따른 힘센서로 3축 힘을 측정하는 방법을 보여주는 도면이다.
제3도는 도 1의 A-A' 단면도이다.
제4도는 습도에 따른 정전용량 변화를 보여주는 그래프이다.
제5도는 본 발명의 일 실시예에 따른 힘센서의 사시도이다.
제6도는 홀전극과 기판의 구조를 보여주는 단면도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 환경보상이 가능한 정전용량형 힘센서에 대해 상세히 설명하도록 한다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 환경보상이 가능한 정전용량형 힘센서를 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 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. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 일 실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.

도 1에 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 힘센서(100)가 도시되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 힘센서(100)는 기판(10), 복수 개의 표면 전극(20), 홀전극(30) 및 측정부(40)를 포함하여 이루어진다.

기판(10)은 복수 개의 표면 전극, 홀전극, 센싱칩 등이 실장되는 기판으로서 PCB가 기판으로 사용될 수 있다.

표면 전극(20)은 3축(X, Y, Z) 힘을 측정하기 위한 전극으로서 X축과 Y축 힘을 측정하기 위한 적어도 2개의 제1 전극(21, 22)과 Z축 힘을 측정하기 위한 적어도 1개의 제2 전극(23)으로 이루어질 수 있다.

제1 전극(21, 22)은 X축과 Y축 힘을 측정하기 위해 기판(10)의 가장자리 또는 가장자리에 근접하게 위치하는 것이 바람직하며, 제2 전극(23)은 기판(10)의 내측에 위치하는 것이 바람직하다.

홀전극(30)은 기판(10)을 관통하는 홀에 형성된 중공형 전극으로서 표면 전극(20)과의 사이에서 정전용량이 발생하며, 홀전극에서 측정되는 정전용량은 힘센서가 실장된 장치에 인가되는 외력에 영향을 받지 않도록 구성하는 것이 바람직하다.

측정부(40)는 표면 전극 및 홀전극에서 발생하는 정전용량을 측정하고 힘센서(100)가 사용되는 주변 환경의 습도에 따라 정전용량값을 보정하는 기능을 한다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 힘센서(100)는 힘센서가 장착된 장치(200)에 힘이 작용할 경우 그 힘을 측정할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 장치(200)에 X축 방향 힘이 작용할 경우 장치의 전극(210)과 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 힘센서(100)의 제1 전극(21, 22) 사이에서 발생되는 정전용량이 커진다(제2 전극에서 발생되는 정전용량은 변함없음). 따라서 이를 통해 장치(200)에 작용한 X축 방향 힘을 측정할 수 있다.

또한 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 장치(200)에 Y축 방향 힘이 작용할 경우 장치의 전극(210)과 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 힘센서(100)의 제1 전극 21 사이에서 발생되는 정전용량은 커지는 반면 장치의 전극(210)과 제1 전극 22 사이에서 발생되는 정전용량은 작아진다(제2 전극에서 발생되는 정전용량은 변함없음). 따라서 이를 통해 장치(200)에 작용한 Y축 방향 힘을 측정할 수 있다.

또한 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이 장치(200)에 Z축 방향 힘이 작용할 경우 장치의 전극(210)과 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 힘센서(100)의 제2 전극 23 사이에서 발생되는 정전용량이 커진다. 따라서 이를 통해 장치(200)에 작용한 Z축 방향 힘을 측정할 수 있다. 이때 제2 전극(23)뿐만 아니라 제1 전극(21, 22)에서 발생되는 정전용량도 커질 수 있으므로 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이 제2 전극(23)이 제1 전극(21, 22)보다 기판으로부터 더 돌출되도록 형성하는 것이 바람직하며, 그렇지 않을 경우 장치의 전극(210)이 Z축 방향에 있어서는 제2 전극(23)에만 마주하도록 형성할 수도 있다.

이와 같은 방법으로 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 힘센서(100)는 3축 방향 힘을 측정할 수 있다.

한편 본 발명의 일 실시예에 따른 힘센서(100)는 정전용량을 측정하여 외부에서 인가된 힘을 측정하는데 정전용량값은 주변의 습도에 따라 도 3에 도시된 바와 같이 변화하므로 습도가 변화하는 환경에서 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 힘센서(100)가 사용될 경우 습도에 의한 변화를 보상해주지 않으면 정확한 힘측정이 불가능한 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 힘센서 주변에 습도센서를 구비하고 측정된 습도에 따라 정전용량값을 보상해주는 것을 생각할 수 있겠지만 상용의 습도센서는 공간적 제약이 있는 매우 협소한 곳에 장착되는 힘센서와 함께 내장하는 것이 불가능하다.

이에 본 발명의 일 실시예에 따른 힘센서(100)는 주변 습도의 변화에 의해서만 정전용량이 변화되는 홀전극(30)를 구비하고 측정부(40)에서 습도에 의한 정전용량값을 보상해줌으로써 습도가 수시로 변화하는 환경에서도 정전용량형 힘센서의 사용을 가능하게 한다.

보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 힘센서(100)는 기판을 관통하는 홀을 형성하고 홀 표면에 홀전극(30)을 형성한다. 홀전극을 홀에 형성하는 것은 힘센서(100) 주변의 습기가 홀을 통과하면서 홀전극의 정전용량에 영향을 주어 정확한 습도를 측정할 수 있도록 하기 위함이다.

또한 홀전극(30)에서 측정되는 정전용량이 힘센서가 장착되는 장치의 전극(210)에 영향받지 않도록 홀전극(30)은 기판의 내측에 형성되는 것이 바람직하다.

또한 도 4에 도시된 바와 같이 표면 전극과의 사이에서 정전용량이 잘 발생되도록 홀전극(30)의 상부가 기판을 관통하는 홀의 상부로 돌출되는 것이 바람직하다. 다만, 돌출부위의 높이(h)는 Z축 힘을 측정하는 표면 전극 23의 높이(H)보다는 낮게 형성하는 것이 바람직하다.

이러한 홀전극의 정전용량은 힘센서(100)가 장착되는 장치에 인가하는 외력에 상관없이 힘센서 주변의 습도에 의해서만 변화하며, 측정부(40)는 미리 저장된 정보(예를 들어 홀전극 정전용량 변화에 따른 습도 정보)와 홀전극으로부터 측정되는 정전용량값을 이용하여 힘센서 주변의 습도를 측정할 수 있다.

또한 측정부(40)는 측정된 습도를 이용하여 표면 전극(20)의 정전용량에서 습도에 의한 영향을 보상함으로써 장치(200)에 인가된 정확한 힘을 측정할 수 있게 되며, 실험 결과 습도의 영향이 98%이상 크게 줄어듦을 확인할 수 있었다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 힘센서(100)는 주변의 습도가 변하더라도 습도의 영향을 배제하고 정확한 힘을 감지할 수 있는 효과를 제공하므로 습도가 급변하는 환경에서도 힘센서의 사용을 가능하게 하는 효과를 제공한다.

도 5에 본 발명의 다른 실시예에 따른 힘센서(100')가 도시되어 있다.

도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 힘센서(100')는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 힘센서(100)와 마찬가지로 기판(10), 복수 개의 표면 전극(20), 홀전극(30) 및 측정부(40)를 포함한다.

다만, 본 발명의 다른 실시예에 따른 힘센서(100')는 기생용량 차단층을 더 포함하여 이루어진다는 점에서 본 발명의 일 실시예에 따른 힘센서(100)와 차이를 갖는다.

본 발명에 따른 힘센서와 같이 정전용량형 센서에서 온도에 민감한 부분은 PCB 기판 내부에서 형성되는 기생용량이다. 따라서 정전용량형 힘센서가 사용되는 환경의 온도가 변할 경우 측정되는 정전용량값도 달라져 정확한 힘측정이 어렵다.

이에 본 발명의 다른 실시예에 따른 힘센서(100')는 온도에 민감한 기생용량을 제거하기 위해 기판(10)에 기생용량 차단을 위한 차단층을 형성함으로써 온도 변화의 영향을 제거하고자 한다.

보다 상세히 설명하면, 본 발명에 따른 힘센서의 측정부(40)로 CDC칩 등이 사용될 수 있고, 측정부는 정전용량을 측정하기 위해 접지신호를 필요로 하므로 기판(10) 하부에는 접지층이 존재한다.

이때 측정부(40)는 측정해야 하는 정전용량(C_IN)뿐만 아니라 접지층과의 사이에서 형성되는 기생용량(Δc)도 함께 측정하게 되는데 온도 변화에 민감하게 변하는 기생용량 때문에 힘센서가 사용되는 주변 환경에 온도 변화가 발생하는 경우 정확한 힘측정이 어렵다.

이에 본 발명의 다른 실시예에 따른 힘센서(100')는 기판(10)을 기판층(11), 차단층(12), 절연층(13), 접지층(14)으로 구성하여 측정부(40)에서 기생용량이 측정되지 않도록 함으로써 온도 변화에 따른 측정값 변화를 최소화한다.

기판층(11)은 상부면에 표면 전극(20)과 측정부(40)가 실장되는 층으로 측정부 및 전극을 연결하는 회로가 형성되어 있어 PCB기판이 기판층으로 사용될 수 있다.

다음으로 차단층(12)은 접지층(14)과의 사이에서 발생하는 기생용량을 차단하기 위해 기판층(11) 아래에 위치하는 층으로 전기 신호가 흐를 수 있는 전도층이다.

다음으로 절연층(13)은 차단층(12)과 접지층(14) 사이에 위치하여 차단층과 접지층 사이의 전기적 연결을 방지하는 층으로서 PCB기판이 절연층으로 사용될 수 있다.

다음으로 접지층(14)은 측정부(40)에서의 정전용량 측정에 필요한 접지 신호를 제공하는 층으로 접지 신호와 연결된 전도층이다.

다만, 위와 같은 4개의 층으로 이루어진 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판(10)을 관통하여 홀전극(30)을 형성할 경우 홀전극에 의해 차단층(12)과 접지층(14)이 전기적으로 연결되는 문제가 있다. 따라서 홀전극 형성을 위한 홀 주변에는 접지층이나 차단층이 형성되지 않도록 하거나 도 6에 도시된 바와 같이 기판에 홀을 형성한 후 그 내부 표면에 중공형 절연층(31), 중공형 절연층의 내부 표면에 중공형 전극층(32)을 형성하는 방법으로 홀전극이 기판의 다른 층과 전기적으로 연결되지 않도록 하며, 이러한 구조는 본 발명의 일 실시예에 따른 힘센서의 홀전극에도 동일하게 적용될 수 있다.

위와 같은 4개의 층으로 이루어진 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판(10)은 전도층인 차단층(12)에 측정부의 여기 신호가 흐르게 하면 접지층과의 사이에서 형성되는 기생 용량의 영향이 매우 작아져 힘센서의 측정 정전용량이 주변 환경의 온도변화에 영향을 받지 않게 되며, 실험 결과 온도의 영향이 98%이상 크게 줄어듦을 확인할 수 있었다.

이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 힘센서(100')는 주변의 온도가 변하더라도 온도의 영향을 배제하고 정확한 힘을 감지할 수 있는 효과를 제공하므로 온도가 급변하는 환경에서도 힘센서의 사용을 가능하게 하는 효과를 제공한다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 힘센서는 주변 환경의 온도변화, 습도변화에도 영향을 받지 않고 신뢰성 있는 힘측정이 가능하므로 환경 변화가 잦은 곳에 사용되는 로봇, 수술용 집게 등과 같은 장치에 사용될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 힘센서를 장착한 장치의 외부표면을 알루미늄으로 형성한 후 산화시켜 산화막을 만들 경우 부도체의 성질을 띠게 되므로 고전압의 영향도 막을 수 있다.

지금까지 본 발명의 실시예에 따른 환경보상이 가능한 정전용량형 힘센서를 구체적인 실시예를 참고로 한정되게 설명하였다. 그러나 본 발명은 이러한 구체적인 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에 청구된 발명의 사상 및 그 영역을 이탈하지 않으면서 다양한 변화 및 변경이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.

10: 기판 11: 기판층
12: 차단층 13: 절연층
14: 접지층 20: 표면 전극
21, 22: 제1 전극 23: 제2 전극
30: 홀전극 31: 절연층
32: 전극층 40: 측정부

Claims (10)

1. 기판;
   상기 기판의 표면에 형성된 복수 개의 표면 전극;
   상기 기판을 관통하여 형성된 중공형 홀전극; 및
   상기 표면 전극 및 홀전극으로부터 정전용량을 측정하되 상기 홀전극으로부터 측정된 정전용량을 이용하여 주변 습도를 결정하고 결정된 습도로 상기 표면 전극으로부터 측정된 정전용량을 보상하는 측정부;
   를 포함하여 이루어지고,
   상기 기판은:
   상부 표면에 상기 표면 전극, 측정부가 실장되는 기판층;
   상기 기판층 하부의 차단층;
   상기 차단층 하부의 절연층; 및
   상기 절연층 하부에 위치하며, 접지 신호가 공급되는 접지층;
   으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량형 힘센서.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 홀전극은 상기 기판을 관통하는 관통홀의 내부 표면을 덮는 금속층으로 이루어지고, 상기 금속층의 상단부는 상기 관통홀 상부로 돌출된 것을 특징으로 하는 정전용량형 힘센서.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 표면 전극은 상기 기판의 가장자리에 위치한 제1 전극 및 상기 기판의 내측에 위치한 제2 전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량형 힘센서.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 기판으로부터 돌출되는 상기 표면 전극의 높이는 상기 제2 전극의 높이가 상기 제1 전극의 높이보다 높은 것을 특징으로 하는 정전용량형 힘센서.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 홀전극은 상기 기판을 관통하는 관통홀의 내부 표면을 덮는 금속층으로 이루어지고, 상기 금속층의 상단부는 상기 관통홀 상부로 돌출되며,
   상기 관통홀 상부로 돌출된 상기 상단부의 높이는 상기 제2 전극의 높이보다 낮은 것을 특징으로 하는 정전용량형 힘센서.
   
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 차단층은 상기 측정부의 여기신호가 공급되는 전도층인 것을 특징으로 하는 정전용량형 힘센서.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 홀전극은 상기 기판을 관통하는 관통홀의 내부 표면을 덮는 중공형 절연층, 상기 절연층의 내부 표면을 덮는 중공형 금속층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량형 힘센서.
   
9. 제1항 내지 제5항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 따른 힘센서를 장착한 것을 특징으로 하는 장치.
   
10. 제9항에 있어서, 상기 장치의 표면은 알루미늄을 산화시켜 형성한 산화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 정전용량형 힘센서를 장착한 장치.
    

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