KR102330396B1 - 정전 용량형 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 정전 용량형 센서는, 상부 블록, 상기 상부 블록에 고정되는 적어도 하나의 제1 전극, 상기 상부 블록의 하부에 위치하는 하부 블록, 상기 제1 전극과 적어도 일부가 오버랩되도록 상기 하부 블록에 고정되는 적어도 하나의 제2 전극 및 상기 상부 블록을 지지하는 제1 지지단, 상기 하부 블록을 지지하는 제2 지지단, 상기 제1 지지단 및 상기 제2 지지단과 연결되어 상기 상부 블록 및 상기 하부 블록 중 적어도 하나에 작용하는 외력에 의해 탄성 변형되는 탄성 변형부를 포함하는 복수의 탄성 지지체를 포함한다.

Description

정전 용량형 센서{Capacitive sensor}
본 발명은 정전 용량형 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정전 용량의 변화를 이용해 6축 힘/토크를 감지하는 정전 용량형 센서에 관한 것이다.
종래의 힘/토크 센서는 대부분 스트레인 게이지를 이용하여 힘/토크를 감지 또는 측정하는 방식을 사용하고 있다.
일반적으로 스트레인 게이지를 이용하는 센서는 외력이 가해지는 한 쌍의 외부 연결구와, 한 쌍의 외부 연결구를 연결하는 탄성체 그리고 탄성체에 부착되어 탄성체의 변형량을 측정하는 스트레인 게이지로 구성된다. 스트레인 게이지는 외부 연결구에 가해지는 외력에 의해 변형되는 탄성체의 변형량에 따라 변화하는 저항을 감지하여 외력을 감지 또는 측정한다.
스트레인 게이지를 이용한 센서는 탄성체에 다수의 스트레인 게이지를 접착하는 방식으로 제조되는데, 이 과정에서 제조 경비가 상승하고, 오랜 시간이 경과한 후에는 스트레인 게이지를 접착하는데 사용되는 접착제가 경화되어 접착제의 손상이 쉽게 유발되는 등의 문제가 종종 발생하였다.
최근에는 광학적인 방법으로 탄성체의 변형량을 측정하는 방식의 센서가 개발되고 있으나, 다수의 광학 부품이 사용되어야 하므로 역시 제조 난이도 및 비용이 높은 한계가 있다.
US 4,552,028 (1985.11.12.)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 보다 단순한 구조로 제조 난이도를 낮추고 내구성이 향상된 정전 용량식 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 정전 용량형 센서는, 상부 블록, 상기 상부 블록에 고정되는 적어도 하나의 제1 전극, 상기 상부 블록의 하부에 위치하는 하부 블록, 상기 제1 전극과 적어도 일부가 오버랩되도록 상기 하부 블록에 고정되는 적어도 하나의 제2 전극 및 상기 상부 블록을 지지하는 제1 지지단, 상기 하부 블록을 지지하는 제2 지지단, 상기 제1 지지단 및 상기 제2 지지단과 연결되어 상기 상부 블록 및 상기 하부 블록 중 적어도 하나에 작용하는 외력에 의해 탄성 변형되는 탄성 변형부를 포함하는 복수의 탄성 지지체를 포함한다.
상기 탄성 변형부 중 적어도 일부는 폐루프의 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 탄성 변형부 중 적어도 일부는 지그재그의 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 탄성 변형부 중 적어도 일부는 Y 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 탄성 변형부는, 상호 이격된 한 쌍의 가로빔과 상기 한 쌍의 가로빔을 연결하는 세로빔을 포함할 수 있다.
상기 제1 지지단은 상기 탄성 변형부로부터 상방으로 연장되는 제1 세로 지지 로드를 포함하고, 상기 제2 지지단은 상기 탄성 변형부로부터 하방으로 연장되는 제2 세로 지지 로드를 포함하며, 상기 제1 세로 지지 로드 및 상기 제2 세로 지지 로드는 상기 세로빔과 서로 다른 축선 상에 위치할 수 있다.
상기 탄성 변형부는, 상호 이격된 한 쌍의 세로빔과 상기 한 쌍의 세로빔을 연결하는 가로빔을 포함할 수 있다.
상기 제1 지지단은 상기 한 쌍의 세로빔 중 어느 하나로부터 연장 형성되고, 상기 제2 지지단은 상기 한 쌍의 세로빔 중 다른 하나로부터 연장 형성될 수 있다.
상기 제1 지지단 및 상기 제2 지지단 중 어느 하나는 상기 한 쌍의 세로빔 중 적어도 하나로부터 연장 형성되고, 상기 제1 지지단 및 상기 제2 지지단 중 다른 하나는 상기 한 쌍의 가로빔으로부터 연장 형성될 수 있다.
상기 탄성 변형부는, 상호 이격된 복수의 가로빔과 상기 복수의 가로빔을 연결하는 복수의 세로빔을 포함하며, 상기 복수의 세로빔은 서로 다른 축선 상에 위치할 수 있다.
상기 탄성 변형부는, 상호 이격된 복수의 세로빔과 상기 복수의 세로빔을 연결하는 복수의 가로빔을 포함하며, 상기 복수의 가로빔은 서로 다른 축선 상에 위치할 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
단순한 구조로 제조 난이도를 낮추고, 향상된 내구성을 갖고, 보다 정확하게 6축 힘/토크를 감지한다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서를 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록의 하부면을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록의 하부면과 하부 블록의 상부면을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 수직 전극과 하부 수직 전극의 초기 위치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록에 작용하는 X방향 힘(Fx)에 의해 변화되는 상부 수직 전극과 하부 수직 전극의 위치 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록에 작용하는 Y방향 힘(Fy)에 의해 변화되는 상부 수직 전극과 하부 수직 전극의 위치 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록에 작용하는 Z방향 토크(Tz)에 의해 변화되는 상부 수직 전극과 하부 수직 전극의 위치 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 수평 전극과 하부 수평 전극의 초기 위치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록에 작용하는 Z방향 힘(Fz)에 의해 변화되는 상부 수평 전극과 하부 수평 전극의 위치 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록에 작용하는 X방향 토크(Tx)에 의해 변화되는 상부 수평 전극과 하부 수평 전극의 위치 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록에 작용하는 Y방향 토크(Ty)에 의해 변화되는 상부 수평 전극과 하부 수평 전극의 위치 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록과 하부 블록을 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록과 하부 블록의 조립된 상태를 도시한 사시도이다.
도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록의 하부면과 하부 블록의 하부면을 개략적을 도시한 분해 사시도이다.
도 15는 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록과 하부 블록의 조립된 상태를 도시한 사시도이다.
도 16은 본 발명의 제4 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록의 하부면과 하부 블록의 하부면을 개략적을 도시한 분해 사시도이다.
도 17 내지 도 22는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄성 지지체를 도시한 정면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 또한 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성 요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 정전 용량형 센서를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대하여 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서를 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록의 하부면을 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록의 하부면과 하부 블록의 상부면을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서(1)는 상부 블록(10), 하부 블록(30) 및 탄성 지지체(41, 42, 43)를 포함한다.
상부 블록(10)은 하우징(11)과 PCB(printed circuit board, 21)를 포함한다.
하우징(11)은 내부에 수용 공간(14)을 형성하도록 형성된다. 수용 공간(14)으로는 PCB(21), 탄성 지지체(41, 42, 43), 그리고 하부 블록(30)의 적어도 일부가 수용될 수 있다.
하우징(11)은 하부 블록(30)과 결합될 수 있으며, 이 경우 하우징(11)의 하단은 하부 블록(30)의 베이스 플레이트(31)의 상단에 접하거나 베이스 플레이트(31)의 측면을 둘러싸도록 결합될 수 있다.
하우징(11)의 상단에는 복수의 제1 상부 블록 고정홀(12a, 12b, 12c)과 복수의 제1 탄성 지지체 고정홀(13a, 13b, 13c)이 형성될 수 있다.
제1 상부 블록 고정홀(12a, 12b, 12c)은 PCB(21)를 하우징(11)에 고정하기 위한 고정 부재(미도시, 예를 들면 스크류)가 삽입되는 공간이고, 제1 탄성 지지체 고정홀(13a, 13b, 13c)은 탄성 지지체(41, 42, 43)를 하우징(11)에 고정하기 위한 고정 부재(미도시, 예를 들면 스크류)가 삽입되는 공간이다.
PCB(21)에는 복수의 제1 상부 블록 고정홀(12a, 12b, 12c)과 대응되는 복수의 제2 상부 블록 고정홀(21a, 21b, 21c)이 형성된다. 제2 상부 블록 고정홀(21a, 21b, 21c)은 제1 상부 블록 고정홀(12a, 12b, 12c)을 통해 삽입된 고정 부재가 삽입되는 공간이다.
고정 부재에 의해 PCB(21)는 하우징(11)에 고정되며, 하우징(11)과 일체로 움직이게 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, PCB(21)의 하부면에는 복수의 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 복수의 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)이 형성된다.
상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)은 하부면에 수직한 면을 갖도록 하부면으로부터 돌출 형성되고, 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)은 하부면과 평행하거나 동일 평면 상에 형성되는 면을 갖도록 형성된다.
복수의 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)은 등간격으로 배치될 수 있다. 본 실시예에서는 3개의 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)이 방사형으로 120도 간격으로 배치되는 예를 도시하였지만, 실시예에 따라 4개 이상의 상부 수직 전극이 배치될 수도 있다.
유사하게, 복수의 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c) 역시 등간격으로 배치될 수 있다. 본 실시예에서는 3개의 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)이 방사형으로 120도 간격으로 배치되는 예를 도시하였지만, 실시예에 따라 4개 이상의 상부 수평 전극이 배치될 수도 있다.
또한, 실시예에 따라 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)는 서로 다른 개수로 구비될 수도 있다.
또한, 복수의 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 복수의 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)은 방사형이 아닌 다른 방식으로 배치될 수 있다. 예를 들면, 3개의 전극이 대략 삼각 형상을 이루도록 배치되거나, 4개의 전극이 사각 형상을 이루도록 배치될 수도 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 탄성 지지체(41, 42, 43)는 복수 개로 구비된다. 본 실시예에서는 3개의 탄성 지지체(41, 42, 43)를 도시하였지만, 실시예에 따라 탄성 지지체(41, 42, 43)의 개수는 변경될 수 있다.
3개의 탄성 지지체(41, 42, 43)는 동일한 구조를 가질 수 있으며, 설명의 편의를 위해 하나의 탄성 지지체(41)에 대해 구체적으로 설명하고, 다른 탄성 지지체(42, 43)에 대한 설명은 생략한다.
탄성 지지체(41)는 제1 지지단(41a, 41b), 탄성 변형부(41c), 제2 지지단(41d, 41e)을 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제1 지지단(41a, 41b)는 제1 가로 지지 로드(41a)와 제1 세로 지지 로드(41b)를 포함한다.
제1 가로 지지 로드(41a)는 하우징(11)에 결합된다. 이를 위해 제1 가로 지지 로드(41a)에는 제2 탄성 지지체 고정홀(41f)이 형성된다. 제2 탄성 지지체 고정홀(41f)은 제1 탄성 지지체 고정홀(13c)과 대응되도록 형성되며, 별도의 고정 부재가 제1 탄성 지지체 고정홀(13c)과 제2 탄성 지지체 고정홀(41f)로 삽입되어 탄성 지지체(41)를 하우징(11)에 고정한다.
제1 세로 지지 로드(41b)는 제1 가로 지지 로드(41a)의 중앙부로부터 하방으로 연장 형성되어 제1 가로 지지 로드(41a)와과 탄성 변형부(41c)를 연결한다.
탄성 변형부(41c)는 외력에 의한 탄성 변형이 용이하도록 형성된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 탄성 변형부(41c)는 폐루프 형상을 갖도록 형성된다. 실시예에 따라 탄성 변형부(41c)의 형상은 다양하게 변형될 수 있으며, 이에 보다 구체적인 설명은 후술한다.
제2 지지단(41d, 41e)은 제2 가로 지지 로드(41e)와 제2 세로 지지 로드(41d)를 포함한다.
제2 가로 지지 로드(41e) 및 제2 세로 지지 로드(41d)는 탄성 변형부(41c)를 중심으로 제1 가로 지지 로드(41a)및 제1 세로 지지 로드(41b)와 대칭 형성된다. 제2 가로 지지 로드(41e)에는 제3 탄성 지지체 고정홀(41g)이 형성된다. 제3 탄성 지지체 고정홀(41g)는 제2 가로 지지 로드(41e)는 하부 블록(30)에 고정하기 위한 고정 부재(미도시)가 삽입되는 공간이다.
한편, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 하부 블록(30)은 베이스 플레이트(31)와 베이스 플레이트(31)의 상부면으로부터 돌출 형성되는 하부 수평 전극(31a)을 포함한다. 본 실시예에서 하부 수평 전극(31a)은 하부 블록(30)의 상부면을 형성한다.
본 실시예에서는 하부 수평 전극(31a)을 복수의 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)과 마주하는 하나의 플레이트로 구성하였으나, 실시예에 따라 복수의 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)에 일대일로 대응하도록 서로 분리된 복수의 하부 수평 전극으로 구성될 수도 있다.
하부 수평 전극(31a)은 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)과 평행하고 적어도 일부가 오버랩된다. 따라서, 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c) 각각은 하부 수평 전극(31a)과 공기를 유전층으로 하는 커패시터(capacitor)로서 기능하게 되며, 하부 수평 전극(31a)과 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)으로 구성되는 커패시터는 PCB(21)에 형성되는 전자 회로의 일부가 된다. 실시예에 따라 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이에 별도의 유전체를 개재할 수도 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 하부 블록(30)은 하부 수평 전극(31a)으로부터 베이스 플레이트(31)까지 함몰 형성되는 복수의 전극홈(32a, 32b, 32c)을 포함한다. 복수의 전극홈(32a, 32b, 32c)은 복수의 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)의 위치와 각각 대응되며 복수의 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)의 적어도 일부가 수용되도록 형성된다. 본 실시예에 따른 정전 용량형 센서(1)가 조립된 상태에서, 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)은 전극홈(32a, 32b, 32c)의 바닥면 및 측면과 접하지 않는다.
전극홈(32a, 32b, 32c)의 측면 중 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 마주하는 면은 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c)이 된다. 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c)은 하부 블록(30)의 상부면인 하부 수평 전극(31a)과 수직한 면을 갖도록 형성되며, 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 적어도 일부가 오버랩된다.
각각의 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c)은 공기를 유전층으로 하는 커패시터(capacitor)로서 기능하게 되며, 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c)으로 구성되는 커패시터는 PCB(21)에 형성되는 전자 회로의 일부가 된다. 실시예에 따라 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c) 사이에 별도의 유전체를 개재할 수도 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 베이스 플레이트(31)의 상면에는 복수의 탄성 지지체 수용홈(34a, 34b, 34c)이 형성된다. 탄성 지지체 수용홈(34a, 34b, 34c)은 탄성 지지체(41, 42, 43)의 제2 가로 지지 로드(41e)가 삽입되는 공간으로, 탄성 지지체(41, 42, 43)의 위치와 대응되도록 형성된다.
그리고 각각의 탄성 지지체 수용홈(34a, 34b, 34c)에는 제4 탄성 지지체 고정홀(35a, 35b, 35c)가 형성된다. 제4 탄성 지지체 고정홀(35a, 35b, 35c)은 제3 탄성 지지체 고정홀(41g)과 대응되도록 형성되어, 별도의 고정 부재가 제3 탄성 지지체 고정홀(41g)과 제4 탄성 지지체 고정홀(35a, 35b, 35c)에 삽입되어 탄성 지지체(41, 42, 43)를 하부 블록(30)에 고정한다.
탄성 지지체(41, 42, 43)는 상부 블록(10)과 하부 블록(30)을 탄성 지지하게 된다. 탄성 지지체(41, 42, 43)의 제1 가로 지지 로드(41a)가 하우징(11)에 결합되지만, PCB(21)가 하우징(11)에 고정되도록 설치되므로, 상부 블록(10) 전체가 탄성 지지체(41, 42, 43)에 의해 하부 블록(30)에 대해 탄성된다.
따라서, 하우징(11)에 외력이 가해지면 상부 블록(10)은 하부 블록(30)에 대해 상대적으로 이동하게 된다. 반대로, 하부 블록(30)에 외력이 가해지면, 하부 블록(30)은 상부 블록(10)에 대해 상대적으로 이동하게 된다.
상부 블록(10)과 하부 블록(30)이 서로 상대적으로 이동함에 따라, 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c) 사이의 간격이 변화하고, 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 간격이 변화한다.
커패시터의 정전 용량(C)은 아래와 같은 유전율(ε) 및 오버랩 면적(A)에 비례하고, 전극 사이의 간격(d)에 반비례한다(C= εA/d).
따라서, 외력에 의해 상부 블록(10)과 하부 블록(30)이 서로 상대적으로 이동하여, 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c) 사이의 간격과 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 간격이 변화하면, 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c)에 의해 형성되는 커패시터의 정전 용량이 변화하고, 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)과 하부 수평 전극(31a)에 의해 형성되는 커패시터의 정전 용량이 변화한다.
본 실시예에 따른 정전 용량형 센서(1)는 변화하는 정전 용량을 이용해 3축 방향으로 작용하는 힘 성분(Fx, Fy, Fz) 및 토크 성분(Tx, Ty, Tz)에 대한 정보를 센싱한다.
PCB(21), 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c), 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c), 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c) 및 하부 수평 전극(31a)에 의해 구성되는 전자 회로는 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c) 간의 정전 용량 및 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량의 변화에 대응하여 변화하는 시그널을 출력하는 전자 회로일 수 있다.
일례로서, 전자 회로는 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c) 간의 정전 용량과 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량을 각각 출력하는 전자 회로일 수 있다.
또는, 전자 회로에서 출력되는 시그널에는 3축 방향으로 작용하는 힘 성분(Fx, Fy, Fz) 및 토크 성분(Tx, Ty, Tz)에 대한 정보가 포함될 수 있다. 이 경우, 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c) 간의 정전 용량과 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량에 기초하여 3축 방향으로 작용하는 힘 성분(Fx, Fy, Fz) 및 토크 성분(Tx, Ty, Tz)를 연산하는 연산부가 포함될 수 있다.
이하에서는, 도 4 내지 도 11을 참고하여 3축 방향으로 작용하는 힘(Fx, Fy, Fz)/토크(Tx, Ty, Tz)와 정전 용량의 변화에 대한 관계에 대해 구체적으로 설명한다. 도 4 내지 도 11은 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 전극들 사이의 상대적인 이동을 설명하기 위한 것으로서 설명에 불필요한 구성은 생략하였고, 상부 블록(10)과 하부 블록(30)은 원형으로 단순화하였다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 수직 전극과 하부 수직 전극의 초기 위치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서(1)는 3개의 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)이 120도 간격으로 구비되고, 3개의 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c)이 3개의 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 일대일로 대응되도록 구비된다. 전술한 바와 같이, 3개의 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)은 상부 블록(10)에 고정되고, 3개의 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c)은 하부 블록(30)에 형성된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상부 블록(10) 및 하부 블록(30)에 외력이 가해지지 않는 상황에서는, 3개의 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 3개의 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c)이 대략 평행하게 일정 간격을 유지한 상태로 존재한다.
이하에서는 설명의 편의를 위해, 도 4에서 X축에 평행한 상부 수직 전극(33a)을 제1 상부 수직 전극으로 지칭하고, 제1 상부 수직 전극(23a)으로부터 +120도 방향에 위치하는 상부 수직 전극(23b)을 제2 상부 수직 전극으로, 제1 상부 수직 전극(23a)으로부터 -120도 방향에 위치하는 상부 수직 전극(23c)을 제3 상부 수직 전극으로 지칭한다.
그리고, 제1 상부 수직 전극(23a)과 마주하는 하부 수직 전극(33a)를 제1 하부 수직 전극으로, 제2 상부 수직 전극(23b)과 마주하는 하부 수직 전극(33b)를 제2 하부 수직 전극으로, 제3 상부 수직 전극(23c)과 마주하는 하부 수직 전극(33c)를 제3 하부 수직 전극으로 지칭한다.
그리고, 하부 블록(30)을 고정된 상태로 유지되고, 상부 블록(10)이 하부 블록(30)에 대해 움직이는 것을 전제로 설명한다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록에 작용하는 X방향 힘(Fx)에 의해 변화되는 상부 수직 전극과 하부 수직 전극의 위치 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
상부 블록(10)에 X방향 힘(Fx)이 작용하면, 도 5에 도시된 바와 같이, 상부 블록(10)은 X방향으로 소폭 이동하게 된다. 상부 블록(10)의 이동에 의해, 제1 상부 수직 전극(23a)과 제1 하부 수직 전극(33a) 사이의 거리는 변화하지 않고, 제2 상부 수직 전극(23b)과 제2 하부 수직 전극(33b) 사이의 거리는 짧아지고, 제3 상부 수직 전극(23c)과 제3 하부 수직 전극(33c) 사이의 거리는 길어진다.
따라서, 제1 상부 수직 전극(23a)과 제1 하부 수직 전극(33a) 사이의 정전 용량(C1)은 거의 변화하지 않고(제1 상부 수직 전극(23a)과 제1 하부 수직 전극(33a)의 오버랩 면적이 작아지는 경우에는 정전 용량이 소폭 감소할 수 있음), 제2 상부 수직 전극(23b)과 제2 하부 수직 전극(33b) 사이의 정전 용량(C2)은 증가하고, 제3 상부 수직 전극(23c)과 제3 하부 수직 전극(33c) 사이의 정전 용량(C3)은 감소한다.
상부 블록(10)에 가해지는 X방향 힘(Fx)이 커짐에 따라, 제2 상부 수직 전극(23b)과 제2 하부 수직 전극(33b) 사이의 거리는 더욱 짧아지고, 제3 상부 수직 전극(23c)과 제3 하부 수직 전극(33c) 사이의 거리는 더욱 길어진다.
따라서, Fx와 제2 상부 수직 전극(23b)과 제2 하부 수직 전극(33b) 사이의 정전 용량(C2)은 비례하고, Fx와 제3 상부 수직 전극(23c)과 제3 하부 수직 전극(33c) 사이의 정전 용량(C3)은 반비례하게 된다.
이러한 관계를 이용해 X 방향으로 작용하는 힘(Fx)을 검출할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록에 작용하는 Y방향 힘(Fy)에 의해 변화되는 상부 수직 전극과 하부 수직 전극의 위치 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
상부 블록(10)에 Y방향 힘(Fy)이 작용하면, 도 6에 도시된 바와 같이, 상부 블록(10)은 Y방향으로 소폭 이동하게 된다. 상부 블록(10)의 이동에 의해, 제1 상부 수직 전극(23a)과 제1 하부 수직 전극(33a) 사이의 거리는 길어지고, 제2 상부 수직 전극(23b)과 제2 하부 수직 전극(33b) 사이의 거리는 짧아지고, 제3 상부 수직 전극(23c)과 제3 하부 수직 전극(33c) 사이의 거리는 짧아진다.
따라서, 제1 상부 수직 전극(23a)과 제1 하부 수직 전극(33a) 사이의 정전 용량(C1)은 감소하고, 제2 상부 수직 전극(23b)과 제2 하부 수직 전극(33b) 사이의 정전 용량(C2)은 증가하고, 제3 상부 수직 전극(23c)과 제3 하부 수직 전극(33c) 사이의 정전 용량(C3)은 증가한다.
상부 블록(10)에 가해지는 Y방향 힘(Fy)이 커짐에 따라, 제1 상부 수직 전극(23a)과 제1 하부 수직 전극(33a) 사이의 거리는 더욱 길어지고, 제2 상부 수직 전극(23b)과 제2 하부 수직 전극(33b) 사이의 거리는 더욱 짧아지고, 제3 상부 수직 전극(23c)과 제3 하부 수직 전극(33c) 사이의 거리는 더욱 짧아진다.
따라서, Fy와 제1 상부 수직 전극(23a)과 제1 하부 수직 전극(33a) 사이의 정전 용량(C1)은 반비례하고, Fy와 제2 상부 수직 전극(23b)과 제2 하부 수직 전극(33b) 사이의 정전 용량(C2)은 비례하고, Fy와 제3 상부 수직 전극(23c)과 제3 하부 수직 전극(33c) 사이의 정전 용량(C3)은 비례하게 된다.
이러한 관계를 이용해 Y방향으로 작용하는 힘(Fy)을 검출할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록에 작용하는 Z방향 토크(Tz)에 의해 변화되는 상부 수직 전극과 하부 수직 전극의 위치 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
상부 블록(10)에 Z방향 토크(Tz)가 작용하면, 도 7에 도시된 바와 같이, 상부 블록(10)은 Z방향으로 회전하게 된다. 상부 블록(10)의 회전에 의해, 제1 상부 수직 전극(23a)과 제1 하부 수직 전극(33a) 사이의 거리, 제2 상부 수직 전극(23b)과 제2 하부 수직 전극(33b) 사이의 거리 및 제3 상부 수직 전극(23c)과 제3 하부 수직 전극(33c) 사이의 거리는 길어진다.
따라서, 제1 상부 수직 전극(23a)과 제1 하부 수직 전극(33a) 사이의 정전 용량(C1), 제2 상부 수직 전극(23b)과 제2 하부 수직 전극(33b) 사이의 정전 용량(C2) 및 제3 상부 수직 전극(23c)과 제3 하부 수직 전극(33c) 사이의 정전 용량(C3)은 감소한다.
상부 블록(10)에 가해지는 Z방향 토크(Tz)가 커짐에 따라, 제1 상부 수직 전극(23a)과 제1 하부 수직 전극(33a) 사이의 거리, 제2 상부 수직 전극(23b)과 제2 하부 수직 전극(33b) 사이의 거리 및 제3 상부 수직 전극(23c)과 제3 하부 수직 전극(33c) 사이의 거리는 더욱 길어진다.
따라서, Tz는 제1 상부 수직 전극(23a)과 제1 하부 수직 전극(33a) 사이의 정전 용량(C1), 제2 상부 수직 전극(23b)과 제2 하부 수직 전극(33b) 사이의 정전 용량(C2) 및 제3 상부 수직 전극(23c)과 제3 하부 수직 전극(33c) 사이의 정전 용량(C3)과 반비례한다.
이러한 관계를 이용해 Z방향으로 작용하는 토크(Tz)를 검출할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 수평 전극과 하부 수평 전극의 초기 위치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서(1)는 3개의 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)이 상부 블록(10)의 하부면에 구비된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 3개의 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)은 120도 간격으로 구비된다. 그리고, 하부 수평 전극(31a)은 하부 블록(30)의 베이스 플레이트(31)로부터 돌출 형성된다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상부 블록(10) 및 하부 블록(30)에 외력이 가해지지 않는 상황에서는, 3개의 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)과 하부 수평 전극(31a)이 대략 평행하게 일정 간격을 유지한 상태로 존재한다.
이하에서는 설명의 편의를 위해, 도 8을 기준으로 최우측에 위치하는 상부 수평 전극(24a)을 제1 상부 수평 전극으로, 최좌측에 위치하는 상부 수평 전극(24b)을 제2 상부 수평 전극으로, 중앙에 위치하는 상부 수평 전극(24c)을 제3 상부 수평 전극으로 지칭한다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록에 작용하는 Z방향 힘(Fz)에 의해 변화되는 상부 수평 전극과 하부 수평 전극의 위치 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
상부 블록(10)에 Z방향 힘(Fz)이 작용하면, 도 9에 도시된 바와 같이, 상부 블록(10)은 Z방향으로 소폭 이동하게 된다. 상부 블록(10)의 이동에 의해, 3개의 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 거리는 길어진다.
따라서, 제1 상부 수평 전극(24a)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C4), 제2 상부 수평 전극(24b)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C5) 및 제3 상부 수평 전극(24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C6)은 모두 감소한다.
상부 블록(10)에 가해지는 Z방향 힘(Fz)이 커짐에 따라, 3개의 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 거리는 더욱 길어진다.
따라서, Fz는 제1 상부 수평 전극(24a)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C4), 제2 상부 수평 전극(24b)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C5) 및 제3 상부 수평 전극(24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C6)과 반비례한다.
이러한 관계를 이용해 Z방향으로 작용하는 힘(Fz)을 검출할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록에 작용하는 X방향 토크(Tx)에 의해 변화되는 상부 수평 전극과 하부 수평 전극의 위치 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
상부 블록(10)에 X방향 토크(Tx)가 작용하면, 도 10에 도시된 바와 같이, 상부 블록(10)은 X방향으로 회전하게 된다. 상부 블록(10)의 회전에 의해, 제1 상부 수평 전극(24a) 및 제3 상부 수평 전극(24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 거리는 짧아지고, 제2 상부 수평 전극(24b)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 거리는 길어진다.
따라서, 제1 상부 수평 전극(24a)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C4) 및 제3 상부 수평 전극(24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C6)은 증가하고, 제2 상부 수평 전극(24b)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C5)은 감소한다.
상부 블록(10)에 가해지는 X방향 토크(Tx)가 커짐에 따라, 제1 상부 수평 전극(24a) 및 제3 상부 수평 전극(24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 거리는 더욱 짧아지고, 제2 상부 수평 전극(24b)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 거리는 더욱 길어진다.
따라서, Tx와 제1 상부 수평 전극(24a)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C4) 및 제3 상부 수평 전극(24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C6)은 비례하고, Tx와 제2 상부 수평 전극(24b)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C5)은 반비례하게 된다.
이러한 관계를 이용해 X방향으로 작용하는 토크(Tx)를 검출할 수 있다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록에 작용하는 Y방향 토크(Ty)에 의해 변화되는 상부 수평 전극과 하부 수평 전극의 위치 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
상부 블록(10)에 Y방향 토크(Ty)가 작용하면, 도 11에 도시된 바와 같이, 상부 블록(10)은 Y방향으로 회전하게 된다.
제2 상부 수평 전극(24b)은 Y축에 인접하여 위치하므로 제2 상부 수평 전극(24b)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 거리는 크게 변하지 않는다.
그러나, 제1 상부 수평 전극(24a)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 거리는 길어지고, 제3 상부 수평 전극(24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 거리는 짧아진다.
따라서, 제2 상부 수평 전극(24b)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C5)은 거의 변화하지 않고, 제1 상부 수평 전극(24a)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C4)은 감소하고, 제3 상부 수평 전극(24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C6)은 증가한다.
상부 블록(10)에 가해지는 Y방향 토크(Ty)가 커짐에 따라, 제1 상부 수평 전극(24a)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 거리는 더욱 길어지고, 제3 상부 수평 전극(24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 거리는 더욱 짧아진다.
따라서, Ty와 제1 상부 수평 전극(24a)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C4)은 반비례하고, Ty와 제3 상부 수평 전극(24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C6)은 비례하게 된다.
이러한 관계를 이용해 Y방향으로 작용하는 토크(Ty)를 검출할 수 있다.
상부 수직 전극(23a, 23b, 23c), 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c), 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)의 X, Y, Z 축에 대한 상대적인 위치의 변화에 따라 3축 방향으로 작용하는 힘 성분(Fx, Fy, Fz) 및 토크 성분(Tx, Ty, Tz)을 검출하는 방법은 달라질 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전 용량형 센서에 대해 설명한다. 설명의 편의를 위하여 제1 실시예와 유사한 부분은 동일한 도면부호를 사용하고, 제1 실시예와 공통되는 부분은 그 설명을 생략한다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록과 하부 블록을 개략적으로 도시한 분해 사시도이고, 도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록과 하부 블록의 조립된 상태를 도시한 사시도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전 용량형 센서(2)의 상부 블록(210)은 제1 실시예의 하부 수평 전극(31a)과 유사한 형상을 갖는다.
상부 블록(210)은 몸체를 형성하는 플레이트(221)를 포함하며, 플레이트(221)의 측면은 상부 수직 전극(223a, 223b, 223c)으로 기능하고, 플레이트(221)의 하부면은 상부 수평 전극으로 기능한다. 즉, 본 실시예에서는 상부 수직 전극(223a, 223b, 223c)이 상부 블록(210)의 측면에 형성된다.
한편, 하부 블록(230)은 베이스 플레이트(231)의 상부면에 돌출 형성되는 복수의 하부 수직 전극(233a, 233b, 233c)과 복수의 하부 수평 전극(232a, 232b, 232c)을 포함한다.
도 13에 도시된 바와 같이, 복수의 하부 수평 전극(232a, 232b, 232c)은 플레이트(221)의 하부면과 오버랩된다. 복수의 하부 수평 전극(232a, 232b, 232c)과 플레이트(221)의 하부면은 서로 접촉하지 않은 상태를 유지한다.
또한, 복수의 하부 수직 전극(233a, 233b, 233c)은 각각 플레이트(221)의 측면과 이격되도록 배치된다. 플레이트(221)의 측면 중 하부 수직 전극(233a, 233b, 233c)들과 마주하는 면이 상부 수직 전극(223a, 223b, 223c)으로 기능하게 된다.
도시되지는 않았지만, 본 실시예에 따른 정전 용량형 센서(2) 역시 전술한 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서(1)와 유사하게 상부 블록(210)은 플레이트(221)의 상부 및 측부를 둘러싸는 하우징(11)을 더 포함하거나, 상부 블록(210)과 하부 블록(230)을 탄성 지지하는 탄성 지지체(41, 42, 43)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 탄성 지지체(41, 42, 43)는 상부 블록(210)과 하부 블록(230)을 각각 탄성 지지하여, 외력(Fx, Fy, Fz, Tx, Ty, Tz)에 의해 상부 블록(210)과 하부 블록(230)이 상대적으로 움직일 수 있도록 구성될 수 있다.
본 실시예에 따른 정전 용량형 센서(2) 역시, 외력에 의해 상부 수직 전극(223a, 223b, 223c)과 하부 수직 전극(233a, 233b, 233c), 상부 수평 전극과 하부 수평 전극(232a, 232b, 232c) 사이의 간격 변화/정전 용량의 변화를 이용해 3축 방향으로 작용하는 힘 성분(Fx, Fy, Fz) 및 토크 성분(Tx, Ty, Tz)을 검출할 수 있다.
제2 실시예에 따른 정전 용량형 센서(2)의 변형예로서, 상부 블록(210)과 하부 블록(230)이 서로 위치가 반전되도록 배치될 수 있다. 즉, 도 12 및 도 13의 하부 블록(230)이 180도 반전되어 상부 블록으로서 기능하고, 상부 블록(210)이 180도 반전되어 하부 블록으로서 기능하게 된다.
이 경우, 도 12에 도시된 복수의 하부 수직 전극(233a, 233b, 233c)과 복수의 하부 수평 전극(232a, 232b, 232c)은 각각 상부 수직 전극과 상부 수평 전극이 된다. 그리고 플레이트(221)의 측면에 형성된 상부 수직 전극(223a, 223b, 223c)은 하부 수직 전극이 되고, 플레이트(221)의 일면은 하부 수평 전극으로 기능하게 된다.
즉, 변형예에 따른 정전 용량형 센서에서는 상부 수직 전극이 상부 블록의 하부면으로부터 돌출 형성되고, 하부 수직 전극은 하부 블록의 측면에 형성되게 된다.
이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전 용량형 센서에 대해 설명한다. 설명의 편의를 위하여 제1 실시예와 유사한 부분은 동일한 도면부호를 사용하고, 제1 실시예와 공통되는 부분은 그 설명을 생략한다.
도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록의 하부면과 하부 블록의 하부면을 개략적을 도시한 분해 사시도이고, 도 15는 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록과 하부 블록의 조립된 상태를 도시한 사시도이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전 용량형 센서(3)의 상부 블록(310)은 상부 플레이트(321)의 하부면에 돌출 형성된 복수의 상부 수직 전극(323a, 323b, 323c)과 복수의 상부 수평 전극(324a, 324b, 324c)을 포함한다.
그리고, 하부 블록(330)은 베이스 플레이트(331)의 상부면에 돌출 형성된 복수의 하부 수직 전극(333a, 333b, 333c)과 복수의 하부 수평 전극(332a, 332b, 332c)을 포함한다.
도 15에 도시된 바와 같이, 복수의 상부 수직 전극(323a, 323b, 323c)과 복수의 하부 수직 전극(333a, 333b, 333c)은 일부가 오버랩되고 상호 간에 접하지 않고 마주하도록 배치된다. 동시에 복수의 상부 수직 전극(323a, 323b, 323c)은 베이스 플레이트(331)와 접하지 않도록 형성되고, 복수의 하부 수직 전극(333a, 333b, 333c)은 상부 플레이트(321)에 접하지 않도록 형성된다.
또한, 복수의 상부 수평 전극(324a, 324b, 324c)은 복수의 하부 수평 전극(332a, 332b, 332c)의 상부에 위치하여 상호 간에 접하지 않고 오버랩되도록 배치된다.
도시되지는 않았지만, 본 실시예에 따른 정전 용량형 센서(3) 역시 전술한 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서(1)와 유사하게 상부 블록(310)은 상부 플레이트(321)의 상부 및 측부를 둘러싸는 하우징(11)을 더 포함하거나, 상부 블록(310)과 하부 블록(330)을 탄성 지지하는 탄성 지지체(41, 42, 43)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 탄성 지지체(41, 42, 43)는 상부 블록(310)과 하부 블록(330)을 각각 탄성 지지하여, 외력(Fx, Fy, Fz, Tx, Ty, Tz)에 의해 상부 블록(310)과 하부 블록(330)이 상대적으로 움직일 수 있도록 구성될 수 있다.
본 실시예에 따른 정전 용량형 센서(3) 역시, 외력에 의해 상부 수직 전극(323a, 323b, 323c)과 하부 수직 전극(333a, 333b, 333c), 상부 수평 전극(324a, 324b, 324c)과 하부 수평 전극(332a, 332b, 332c) 사이의 간격 변화/정전 용량의 변화를 이용해 3축 방향으로 작용하는 힘 성분(Fx, Fy, Fz) 및 토크 성분(Tx, Ty, Tz)을 검출할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제4 실시예에 따른 정전 용량형 센서에 대해 설명한다. 설명의 편의를 위하여 제3 실시예와 유사한 부분은 동일한 도면부호를 사용하고, 제1 실시예와 공통되는 부분은 그 설명을 생략한다.
도 16은 본 발명의 제4 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록의 하부면과 하부 블록의 하부면을 개략적을 도시한 분해 사시도이다.
도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 정전 용량형 센서(4)는, 전술한 제3 실시예에 따른 정전 용량형 센서(3)와 비교하여, 상부 블록(410)의 형상이 다소 상이하다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 정전 용량형 센서(4)는 복수의 상부 수직 전극(423a, 423b, 423c)이 상부 플레이트(321)의 하부면으로부터 함몰 형성된다.
따라서, 하부 블록(330)에 형성된 복수의 하부 수직 전극(333a, 333b, 333c)은 일부가 상부 블록(410)의 내측으로 삽입되어 상부 수직 전극(423a, 423b, 423c)과 마주하게 된다.
하부 수직 전극(333a, 333b, 333c)의 일부가 상부 블록(410)의 내측으로 삽입됨에 따라, 상부 블록(410)과 하부 블록(330) 사이의 간격이 좁아지므로 복수의 상부 수평 전극(424a, 424b, 424c)은 제3 실시예에 비해 돌출 길이가 짧아지거나, 상부 플레이트(321)의 하부면과 동일 평면 상에 형성될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄성 지지체에 대해 설명한다.
도 17 내지 도 22는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄성 지지체를 도시한 정면도이다.
도 17에 도시된 탄성 지지체(241)는 전술한 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서(1)의 탄성 지지체(41, 42, 43)와 비교하여 제1 가로 지지 로드(41a)와 제2 가로 지지 로드(41e)가 생략된 것과 유사한 구성을 갖는다.
도 17에 도시된 바와 같이, 탄성 지지체(241)의 탄성 변형부(41c)는 폐루프형상을 갖는다.
보다 구체적으로 탄성 변형부(41c)는 상호 이격된 한 쌍의 가로빔(241a, 241b)과 한 쌍의 가로빔(241a, 241b)을 연결하는 한 쌍의 세로빔(241c, 241d)을 포함한다.
그리고, 외력에 의해 탄성 변형부(41c)가 탄성력을 갖도록 한 쌍의 세로빔(241c, 241d)은 제1 세로 지지 로드(41b) 및 제2 세로 지지 로드(41d)와 서로 다른 축선 상에 위치한다.
이를 위해 도 1과 도 17에 각각 도시된 탄성 지지체(41, 42, 43, 241)는 한 쌍의 세로빔(241c, 241d)이 각각 한 쌍의 가로빔(241a, 241b)의 양측에 형성되고, 제1 세로 지지 로드(41b) 및 제2 세로 지지 로드(41d)는 각각 가로빔(241a, 241b)의 중앙부로부터 상방 또는 하방으로 연장 형성된다.
도 1과 도 17에는 폐루프의 형상을 갖는 탄성 변형부(41c)가 형성된 탄성 지지체(41, 241)를 도시하였지만, 실시예에 따라 한 쌍의 세로빔(241c, 241d) 중 어느 하나가 생략되어 좌측 또는 우측이 개방된 루프 형상을 갖는 탄성 변형부가 사용될 수도 있다.
도 18에 도시된 탄성 지지체(341)의 탄성 변형부(341f)는, 상호 이격된 한 쌍의 가로빔(341c, 341e)과 한 쌍의 가로빔(341c, 341e)을 연결하는 세로빔(341d)을 포함한다.
도 17에 도시된 탄성 지지체(241)의 탄성 변형부(41c)는 한 쌍의 세로빔(241c, 241d)이 각각 한 쌍의 가로빔(241a, 241b)의 양측을 연결하도록 형성됨에 반해, 도 18에 도시된 탄성 지지체(341)의 탄성 변형부(341f)는 세로빔(341d)이 한 쌍의 가로빔(341c, 341e)의 중앙부를 연결하도록 형성된다.
그리고, 제1 지지단을 구성하는 한 쌍의 제1 세로 지지 로드(341a, 341b)는 가로빔(241a)의 양단으로부터 상방으로 연장 형성되고, 제2 지지단을 구성하는 한 쌍의 제2 세로 지지 로드(341g, 341h)는 가로빔(341e)의 양단으로부터 하방으로 연장 형성된다.
도 18에 도시된 탄성 지지체(341) 역시 제1 세로 지지 로드(341a, 341b)와 제2 세로 지지 로드(341g, 341h)가 세로빔(341d)과 다른 축선 상에 위치하게 된다.
도 19에 도시된 탄성 지지체(441)는 대략 Y 형상의 탄성 변형부(441f)를 포함한다.
보다 구체적으로 탄성 변형부(441f)는 상호 이격된 한 쌍의 세로빔(441c, 441d)과 한 쌍의 세로빔(441c, 441d)을 연결하는 가로빔(441e)을 포함한다.
제1 지지단을 구성하는 제1 세로 지지 로드(441a, 441b)는 한 쌍의 세로빔(441c, 441d)으로부터 각각 상방으로 연장 형성되고, 제2 지지단을 구성하는 제2 세로 지지 로드(441g)는 가로빔(441e)으로부터 하방으로 연장 형성된다.
제2 세로 지지 로드(441g)는 한 쌍의 세로빔(441c, 441d)과 다른 축선 상에 위치하게 된다.
도 20에 도시된 탄성 지지체(541)는 지그재그의 형상을 갖도록 형성된 탄성 변형부(541f)를 포함한다.
보다 구체적으로 탄성 변형부(541f)는 상호 이격된 복수의 가로빔(541b, 541d, 541f)과 복수의 가로빔(541b, 541d, 541f)을 서로 연결하는 복수의 세로빔(541c, 541e)을 포함한다.
복수의 세로빔(541c, 541e)은 제1 가로빔(541b)과 제2 가로빔(541d)의 일측을 연결하는 제1 세로빔(541c)과, 제2 가로빔(541d)과 제3 가로빔(541f)의 타측을 연결하는 제2 세로빔(541e)을 포함한다.
제1 세로빔(541c)과 제2 세로빔(541e)은 서로 다른 축선 상에 위치하여 외력에 의한 탄성 변형부(541f)의 탄성 변형을 유도한다.
제1 지지단을 형성하는 제1 세로 지지 로드(541a)는 제1 가로빔(541b)으로부터 상방으로 연장 형성되고, 제2 지지단을 형성하는 제2 세로 지지 로드(541h)는 제3 가로빔(541f)으로부터 하방으로 연장 형성된다.
도 20에 도시된 바와 같이, 제1 세로 지지 로드(541a)와 제2 세로 지지 로드(541h)는 복수의 세로빔(541c, 541e)과 다른 축선 상에 형성되는 것이 바람직하다.
도 21에 도시된 탄성 지지체(641)의 탄성 변형부(641e)는 상호 이격된 한 쌍의 세로빔(641b, 641d)과 한 쌍의 세로빔(641b, 641d)을 연결하는 가로빔(641c)을 포함한다.
가로빔(641c)의 일측은 제1 세로빔(641b)의 하단측으로부터 연장되고, 가로빔(641c)의 타측은 제2 세로빔(641d)의 상단측으로부터 연장된다.
그리고, 제1 지지단을 형성하는 제1 세로 지지 로드(641a)는 제1 세로빔(641b)으로부터 상방을 향해 연장 형성되고, 제2 지지단을 형성하는 제2 세로 지지 로드(641f)는 제2 세로빔(641d)으로부터 하방을 향해 연장 형성된다.
도 22에 도시된 탄성 지지체(741)는 지그재그의 형상을 갖도록 형성된 탄성 변형부(741f)를 포함한다.
보다 구체적으로 탄성 변형부(741f)는 상호 이격된 복수의 세로빔(741b, 741d, 741f)과, 복수의 세로빔(741b, 741d, 741f)을 서로 연결하는 복수의 가로빔(741c, 741e)를 포함한다.
복수의 가로빔(741c, 741e)은 제1 세로빔(741b)과 제2 세로빔(741d)의 일측을 연결하는 제1 가로빔(741c)과, 제2 세로빔(741d)과 제3 세로빔(741f)의 타측을 연결하는 제2 가로빔(741e)을 포함한다.
제1 가로빔(741c)과 제2 가로빔(741e)은 서로 다른 축선 상에 위치하여 외력에 의한 탄성 변형부(741f)의 탄성 변형을 유도한다.
제1 지지단을 형성하는 제1 세로 지지 로드(741a)는 제1 세로빔(741b)으로부터 상방으로 연장 형성되고, 제2 지지단을 형성하는 제2 세로 지지 로드(741h)는 제3 세로빔(741f)으로부터 하방으로 연장 형성된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 정전 용량형 센서는 외력에 의해 발생하는 상부 블록과 상부 블록의 상대적인 이동을 이용해 상부 수직 전극과 하부 수직 전극, 상부 수평 전극과 하부 수평 전극에서의 정전 용량의 변화를 기초로 3축 방향으로 작용하는 힘 성분(Fx, Fy, Fz) 및 토크 성분(Tx, Ty, Tz)을 검출한다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 정전 용량형 센서는 탄성 지지체가 상부 블록과 하부 블록을 각각 지지하도록 구성되어 외력(특히 Z방향으로 작용하는 힘)에 대한 내구성이 향상된다.
또한, 탄성 지지체의 구조가 단순하면서도 외력에 의한 탄성 변형이 용이한 구조를 가지므로 정전 용량형 센서의 단가 및 생산 난이도를 낮출 수 있다.
또한, 탄성 지지체가 상부 블록 및 하부 블록에 조립되는 별도의 구성으로 존재하므로, 탄성 지지체의 교체가 용이하여 메인터넌스에 유리하다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1, 2, 3, 4: 정전 용량형 센서 10, 210, 310, 410: 상부 블록
11: 하우징 12a, 12b, 12c: 제1 상부 블록 고정홀
13a, 13b, 13c: 제1 탄성 지지체 고정홀
14: 수용 공간 21: PCB
21a, 21b, 21c: 제2 상부 블록 고정홀
23a ~ 23c, 223a ~ 223c, 323a ~ 323c, 423a ~ 423c: 상부 수직 전극
24a ~ 24c, 324a ~ 324c, 424a ~ 424c: 상부 수평 전극
30: 하부 블록 31, 231, 331: 베이스 플레이트
31a, 232a ~ 232c, 332a ~ 332c: 하부 수평 전극
32a, 32b, 32c: 전극홈
33a ~ 33c, 233a ~ 233c, 333a ~ 333c: 하부 수직 전극
34a, 34b, 34c: 탄성 지지체 수용홈
35a, 35b, 35c: 제4 탄성 지지체 고정홀
41, 42, 43, 241, 341, 441, 541, 641, 741: 탄성 지지체
41a: 제1 가로 지지 로드
41b, 341a, 341b, 441a, 441b, 541a, 641a, 741a: 제1 세로 지지 로드
41c, 341f, 441f, 541g, 641e, 741g: 탄성 변형부
41d, 341g, 341h, 441g, 541h, 641f, 741h: 제2 세로 지지 로드
41e: 제2 가로 지지 로드 41f: 제2 탄성 지지체 고정홀
41g: 제3 탄성 지지체 고정홀
241a, 241b, 341c, 341e, 441e, 541b, 541d, 541f, 641c, 741c, 741e: 가로빔
241c, 241d, 341d, 441c, 441d, 541c, 541e, 641b, 641d, 741b, 741d, 741f: 세로빔

Claims (20)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 상부 블록;
    하부 블록;
    상기 상부 블록과 상기 하부 블록을 탄성 지지하는 복수의 탄성 지지체;
    상기 상부 블록의 하부면에 수직한 면을 갖도록 형성되는 상부 수직 전극;
    상기 하부 블록의 상부면에 수직한 면을 갖도록 형성되고 상기 상부 수직 전극과 적어도 일부가 오버랩되도록 상기 상부 수직 전극과 마주하도록 배치되는 하부 수직 전극; 및
    상기 상부 수직 전극과 상기 하부 수직 전극을 회로의 일부로 포함하며, 상기 상부 블록 및 상기 하부 블록 중 적어도 하나에 작용하는 힘 또는 토크에 의해 변화되는 상기 상부 수직 전극과 상기 하부 수직 전극 사이의 정전 용량(capacitance) 변화에 대응하는 시그널을 출력하는 전자 회로를 포함하는, 정전 용량형 센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 상부 수직 전극은 3개 이상이 구비되고,
    상기 하부 수직 전극은 상기 상부 수직 전극에 각각 대응되도록 구비되는, 정전 용량형 센서.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 상부 수직 전극은 상기 상부 블록의 하부면으로부터 돌출 또는 함몰 형성되는, 정전 용량형 센서.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 하부 수직 전극은 상기 하부 블록의 상부면으로부터 돌출 또는 함몰 형성되는, 정전 용량형 센서.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 상부 수직 전극은 상기 상부 블록의 측면에 형성되고, 상기 하부 수직 전극은 상기 하부 블록의 상부면으로부터 돌출 형성되는, 정전 용량형 센서.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 상부 수직 전극은 상기 상부 블록의 하부면으로부터 돌출 형성되고, 상기 하부 수직 전극은 상기 하부 블록의 측면에 형성되는, 정전 용량형 센서.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 상부 블록의 하부면과 평행하거나 동일 평면 상에 형성되는 면을 갖도록 형성되는 상부 수평 전극 및
    상기 하부 블록의 상부면과 평행하거나 동일 평면 상에 형성되는 면을 갖도록 형성되고, 상기 상부 수평 전극과 적어도 일부가 오버랩되도록 상기 상부 수평 전극과 마주하도록 배치되는 하부 수평 전극을 더 포함하는, 정전 용량형 센서.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 전자 회로는,
    상기 상부 수평 전극과 상기 하부 수평 전극을 회로의 일부로 포함하며, 상기 시그널은 상기 상부 블록 및 상기 하부 블록 중 적어도 하나에 작용하는 힘 또는 토크에 의해 변화되는 상기 상부 수직 전극과 상기 하부 수직 전극 사이의 정전 용량 변화 및 상기 상부 수평 전극과 상기 하부 수평 전극 사이의 정전 용량 변화에 대응하여 변화하는, 정전 용량형 센서.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 시그널은 서로 직교하는 3축 방향으로 작용하는 힘 성분(Fx, Fy, Fz) 및 토크 성분(Tx, Ty, Tz) 각각에 대한 정보를 포함하는, 정전 용량형 센서.
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