KR20020077453A - 힘 검출 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 장치는 압력 감지기(pressure sensor)(10)와, 압력 감지기에 인가된 교류(alternating) 전압과, 감지기로부터의 출력 전압을 검출하는 검출기를 이용하여 인가된 힘을 검출함으로써, 인가된 힘을 결정한다. 일실시예는 DC 입력 전압과, 인가된 전압을 감지기로 스위칭하는 마이크로제어기(112)를 이용하여 교류 전압을 인가한다. 전도성 잉크 감지기(10)와 함께 500 Hz, 10 Hz가 이용된다. 이온 마이그레이션(ionic migration), 전기 분해 작용, 은(silver)의 마이그레이션에 대항한다. 감지기의 수명을 본질적으로 증가시키기 위한 것이다. 혼 활성화(horn activation) 또는 점유자 무게 감지(occupant weight sensing)을 위한 자동차 응용에 이용할 수 있다.

Description

힘 검출 장치{ALTERNATING VOLTAGE WITH RESISTANCE PRESSURE SENSOR}

일반적으로, 동작시에, 이들 감지기에는 저항성 전압 드라이버 또는 동작 증폭기 회로내의 요소로서 작은 DC 전압이 공급되고, A/D 변환기, 전압 비교기, 또는 다른 검출 회로에 의해, 힘이 인가될 때의 결과적인 출력 전압 변화가 검출된다. 감지된 전압의 레벨은 인가된 힘에 비례한다.

미국 특허 제 5,398,962 호는 압력 감지기를 이용한 혼 활성화기를 개시한다. 사실상 감지기는 힘이 인가됨에 따라 변화되는 출력을 갖는 가변 저항이다. 감지기의 저항은 반전 op 앰프 회로를 이용하여 계산된다. V_O= V_D×R_F/R_S(여기서, R_S는 감지기 저항; R_F는 기준 저항, V_O는 출력 전압; V_D는 드라이브 전압임). 그러나, 음(negative)의 5 직류 전압이 감지기에 인가된다.

멤브레인 감지기에 대한 많은 응용은 높은 습도 및 온도 극한의 환경적인 조건에 좌우된다. 또한, 자동차 응용과 같은 많은 응용은 계속적으로 전력이 공급되는 동안 고장없이, 여러 해 동안 기능을 계속하기 위해 감지기를 필요로 한다. 이들 멤브레인 감지기 중 다수는 전도성 재료의 이온 마이그레이션(ionic migration) 및 장기간 동안 DC 전압이 인가될 때 감지기 내부에서의 전기 분해 작용에 의한 점진적인 저하로 인해 제한된 수명을 가짐을 알게 되었다. 이러한 저하는 습기가 있을 경우 보다 빠르게 발생될 수 있는데, 이러한 습기는 얇은 기판을 통해, 그리고 2 개의 기판을 결합시키는 접착층을 통해 감지기내로 점진적으로 확산한다. 때때로, 감지기의 저하는 감지기의 전기 저항을 점진적으로 감소시키는원인이 된다. 이러한 저하는 감지기가 전기 단락되거나, 또는 더 이상 자신의 유효 사양내에 있지 않을 때까지 진행된다.

이들 감지기의 저하를 최소화 또는 제거하는 전기적 여기를 감지기에 제공함으로써 이러한 저하를 최소화하는 것이 바람직하다.

발명의 개요

본 발명은 긴 서비스 수명 응용에 대해 이들 저가 및 융통성이 있는 감지기를 이용할 수 있도록 하면서, 감지기의 수명을 최대화하는 저항성 감지기 여기 방법을 제공한다. 또한, 여기 및 감지 회로는 저비용 멤브레인 감지기 기술의 이점을 유지하기 위해, 감지기가 저비용으로, 압력 감지 기능을 계속해서 수행할 수 있도록 해야 한다.

환경 테스트에 의하면, 멤브레인 압력 감지기에 대한 여기 전압 극성을 주기적으로 반전함으로써, 감지기가 극성의 반전없이 일정한 직류 전압을 이용하는 동일한 감지기보다 수 백배 길게(hundreds of times longer) 계속해서 수행할 수 있음을 알 수 있다.

감지기에 압력을 인가함으로써 발생된 감지기 저항의 변화를 여전히 검출하면서, 감지기 여기 극성을 주기적으로 반전하는 방법이 도시된다. 이 방법은 교류 전류(Alternating Current; AC) 여기라고 지칭된다.

도시된 감지기 응용은 자동차 혼 시스템을 위한 것이지만, 이것은 본 명세서에서 도시된 이들 감지기 및 AC 여기 방법에 대한 여러 가지 용도 중 단지 하나의예이다. 다른 저항성 감지기 응용은 보안 응용, 치과용 응용 및 다른 자동차 응용을 포함한다.

본 명세서에서 기술된 바람직한 AC 여기 방법은, 감지 요건을 만족시키면서, 현재의 DC 여기 방법에 비해 비용을 최소화하고, 하드웨어 및 소프트웨어의 변화를 최소화하기 위한 것이다.

본 발명은 감지기의 유효 수명(useful life)을 증가시키는 압력 감지기의 여기(excitation) 방법으로 힘을 검출하는 장치에 관한 것이다. 이러한 여기 방법은 장기간 동안 계속적으로 동작될 것이 요구되는 저항성 감지기(resistive sensor)와, 낮은 비용 또는 동작 요건으로 인해 습기 및 오염물로부터의 보호를 위한 밀폐 봉인(hermetic sealing) 또는 다른 수단을 이용하지 않아도 되는 감지기에 본질적으로 적용할 수 있다.

본 발명은 혼 활성화(horn activation) 또는 점유자 무게 감지(occupant weight sensing)를 위한 자동차 응용(automotive applications)과, 보안 응용을 포함하는 다양한 응용에 이용되는 멤브레인 형(membrane-style) 압력 감지기의 전기적 여기에 관한 것이다. 전형적으로, 이들 감지기는 플라스틱막의 층과 같은 전기적 절연체상에 프린팅된, 압력이 인가될 때 저항을 변화시키는 전도성 잉크 및 압력 감응 재료의 층으로 구성된다. 이들 감지기는 미국 특허 제 5,398,962 호, 제 5,563,354 호 및 제 5,541,570 호에 기술된 바와 같은 타입일 수 있다.

도 1은 +5 직류 여기 전압을 이용하는 감지기의 동작 수명을 도시한다.

도 2는 도 1 및 도 5에 대한 데이터를 기록하는데 이용된 테스트 회로를 도시한다.

도 3은 +5 구형파 여기 전압을 이용하는 감지기의 동작 수명을 도시한다.

도 4는 도 3에 대한 데이터를 기록하는데 이용된 회로이다.

도 5는 +1 직류 전압을 이용하는 감지기의 동작 수명을 도시한다.

도 6은 +1 교류 전압을 이용하는 감지기의 동작 수명을 도시한다.

도 7은 도 6에 도시된 측정치를 위해 이용된 테스트 회로를 도시한다.

도 8은 도 7의 회로로부터의 AC 드라이브를 이용하여 감지기에 인가된 파형을 도시한다.

도 9는 자동차 혼 감지기 회로에 대한 AC 감지기 드라이브의 바람직한 실시예의 도면이다.

도 10은 도 9의 혼 감지기를 통해 인가된 AC 전압이다.

도 11 및 12는 도 9의 회로의 FET(Field Effect Transistors)를 드라이브하기 위한, 마이크로제어기로부터의 180^o편위상 드라이브 신호이다.

도 13은 도 9의 회로의 동작 증폭기(op-amp)로부터의 DC 출력 신호를 2 개의 상이한 감지기 저항값에서 도시한다.

도 1은 도 2에 도시된 회로와 같은 회로로부터 멤브레인 감지기(10)에 일정한 DC 전압이 인가될 때의 동작 수명을 도시한다. 테스트된 감지기는 포스 이미징 테크놀로지스(Force Imaging Technologies)(부품 번호 99F32055)에 의해 제조된, 대략 125 mm ×125 mm 크기의, 멤브레인 압력 감지기이다. 감지기는 전기 단락될 때까지, 또는 압력 감지기로서 더 이상 유효하지 않은 낮은 저항을 가질 때까지, 시간에 따라 저하된다. 이러한 저하는 감지기내의 은(silver)과 같은 전도성 재료의 마이그레이션으로 인해, 또한 수분 및 DC 전위의 존재시 전기 분해 처리에 의해 발생된 감지기내의 다른 재료에 대한 화학적 변화로 인해 발생되는 것으로 발견되었다.

도 2에서, +5 볼트의 입력 전압(20)이 감지기(10)에 인가된다. 도 2의 동작 증폭기(12)는 저항(11)을 통한 피드백 경로를 경유하여 감지기(10)에 일정한 전압을 제공한다. 5 볼트 DC 바이어스 전압(20)이 비반전 op 앰프의 양의 입력(13)에 인가된다. 저항(11)을 통해 op 앰프의 반전 입력(-)(15)에 음의 피드백 경로가 제공된다. op 앰프의 출력은 (-) 입력(15)에서의 전압이 (+) 입력(13)에서의 전압과 동일할 때까지 상승한다. 저항(11) 및 감지기(10)를 통한 전류는 동일하다. 따라서, 감지기(10)의 저항은 다음과 같이 출력 전압으로부터 계산될 수 있다.

R₁₀= (V₂₀* R₁₁)/(V_out- V₂₀)

따라서, 동작 증폭기가 그의 정상 동작 범위에 있는 동안, 감지기(10)를 통한 전압은 전압(20)과 항상 동일하다.

도 1 및 3은 2 개의 동일한 감지기의 동작 수명 차이를 도시는 것으로서, 하나의 감지기는 일정한 5 볼트 DC 여기 전압을 이용하고, 다른 감지기는 동일한 조건을 갖되 +5 볼트 구형파 여기를 이용한 것이다. 이들 테스트를 위해, 감지기에 대해 1 볼트 여기 대신에 5 볼트의 전압을 이용하여 감지기의 저하를 가속화한다. 이들 테스트를 위한 조건은 24^oC의 온도 및 대략 45 %의 습도이다. 도 1 및 3에서의 2 개의 감지기를 비교해 보면, 도 1에서의 초기 저항은 140K 옴(ohm)이고, 도 3에서의 초기 저항은 94K 옴이다. 이러한 초기 저항의 차이는 이러한 타입의 멤브레인 압력 감지기에 대해 일반적인 것이다. 동일한 부하(load)를 갖는 저항은 실질적으로 변화될 수 있다. 이들 감지기는 상대적인 부하 변화 측정을 위해 이용되지만, 각각을 개별적으로 동조(calibrating)하지 않는 정확한 절대 부하 측정을 위해 이용되지는 않는다.

도 3은 전압이 주기적으로 반전될 때의, 동일한 감지기의 크게 증가된 수명을 도시한다. 이 경우, 전압은 500 Hz의 속도로 반전된다. 이러한 감지기(10)의 테스트를 위해 도 4의 회로가 사용된다. 이 회로는 +15 볼트에서의 2 개의 전압 공급을 필요로 하며, 또한 +5 볼트 기준 전압을 제공하는 신호 발생기(30)로부터의 AC 드라이브 신호를 필요로 한다. 도 4의 동작 증폭기(32)는 저항(34)을 통한 피드백 경로를 경유하여 감지기(10)에 일정한 전압을 제공한다. +5 볼트 AC 바이어스 전압(30)이 비반전 op 앰프의 양의 입력(35)에 인가된다. 저항(34)을 통해 op 앰프의 반전 입력(-)(36)으로 음의 피드백 경로가 제공된다. op 앰프의 출력은 음의 입력(36)에서의 전압이 양의 입력(35)에서의 전압과 동일할 때까지 상승 또는 하강한다. 감지기(10) 및 신호 발생기(30)를 통한 전류는 동일하다. 따라서, 감지기(10)의 저항은 다음과 같이 출력 전압으로부터 계산될 수 있다.

R₁₀= (V₃₀* R₃₄)/(V_out- V₃₀)

동작 증폭기(32)가 그의 정상 동작 범위에 있는 동안, 감지기(10)를 통한 전압은 신호 발생기(30)의 전압과 항상 동일하다.

도 5 및 6은 증가된 온도 60^oC 및 90 % 습도로, 감지기의 1 볼트 바이어스에서 수행된 테스트 결과를 도시한다. 도 5에서, 바이어스는 1 볼트 DC이고, 감지기는 48 시간내에 고장(전기 단락)나게 된다. 도 2에 도시된 회로는 +1 볼트의 입력 전압과 함께 사용되어, 도 5에 도시된 테스트를 위해 1 볼트 DC 감지기 바이어스를 제공한다.

도 6은 +1 볼트 AC의 감지기 바이어스, 10 Hz의 반전 속도(주파수)에서의,동일한 감지기 및 환경 조건을 이용한다. 감지기는 테스트가 648 시간에서 종료될 때, 자신의 기능을 유지한다. 도 7은 도 6에 도시된 AC 바이어스 감지기 테스트를 위해 사용된 회로를 도시한다. 도 7에서, LM1455 타이머 IC(40)를 이용하여, 10 Hz 속도에서 DC 기준 구형파를 생성한다. 이 회로는 50 %의 듀티 사이클(duty cycle)을 갖는 대칭적인 구형파를 제공하도록 설계된다. 충전 저항(44) 및 방전 저항(46)과 함께 캐패시터(42)는 10 Hz 주파수를 제공한다. 출력 진폭은 전위차계(potentiometer)(48)를 이용하여 +1 볼트 피크 대 피크(peak-to-peak)로 조절된다. 구형파는 제 2 캐패시터(50)를 통해 접속함으로써 접지 기준(ground-referenced) AC로 변환된다. 제 2 전위차계(52)는 신호가 대략 0 볼트로 정확하게 밸런싱되도록 미세한 조절을 수행할 수 있다. 그 후, 일정한 AC 전압원을 감지기(10)에 제공하는 op 앰프(51)에 대한 양의 입력(53)에 AC 신호가 인가된다.

도 8은 도 7의 회로를 이용하여 감지기에 인가되는 1 볼트 피크 AC 바이어스 전압을 도시한다.

차량 혼(vehicle horn)과 같은 AC 여기의 실제 응용의 경우, 도 4 또는 도 7의 방법은 접지에 대한 양 및 음의 전압 모두 요구되기 때문에, 구현이 어렵고 비용이 많이 소모된다. 또한, 요구된 기준 신호는 AC이고 출력 신호는 AC이며, 이것은 전형적인 A/D 변환기로 측정하기가 어렵다. 따라서, 도 9의 회로가 설계되었다.

도 9는 자동차 혼 감지기 회로를 위한 AC 감지기 드라이브의 구현을 도시한다. 감지기(10)는 저항(80) 및 캐패시터(82)에 의해 나타내진다. 바람직한 실시예에서, 감지기는 플라스틱막의 층과 같은 전기 절연체상에 프린팅된, 압력이 인가될 때 저항을 변화시키는 전도성 잉크 및 압력 감응 재료의 층으로 구성된다. 감지기는 미국 특허 제 5,563,354 호, 제 5,541,579 호 및 제 5,398,962 호에 기술된 바와 같은 타입일 수 있다. 테스트된 감지기는 포스 이미징 테크놀로지스(부품 번호 99F32055)에 의해 제조된, 대략 125 mm ×125 mm 크기의, 멤브레인 압력 감지기이다. op 앰프(84)를 이용하여 음의 입력(83)에 일정한 전압 DC 소스를 제공한다. 양의 입력(85)은 제 1 저항(86) 및 제 2 저항(88)에 의해 1 볼트 DC에서 바이어싱되므로, 제 3 및 제 4 저항(90, 92)을 통한 음의 피드백에 의해 음의 입력(83) 또한 1 볼트로 유지된다. DC 감지기 바이어스를 이용하는 공통 회로에서, 감지기는 op 앰프의 음의 입력(83)과 접지 사이에 접속될 것이다. 그러나, 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 FET(93, 94, 95, 96)가 부가될 때, 감지기의 단부는 주기적으로 반전될 수 있다. 이 회로에서, 마이크로제어기(112)의 제 1 핀(110)이 +5 볼트로 상승되고, 제 2 핀(114)이 접지로 설정될 때, 제 1 및 제 3 FET(93, 95)는 턴 온되고, 제 2 및 제 4 FET(94, 96)는 턴 오프되며, 감지기의 단부 "A"는 op 앰프 (-) 입력(83)에 접속되고, 단부 "B"는 접지된다. 마이크로제어기의 제 1 핀(110)이 접지로 설정되고, 제 2 핀(114)이 +5 볼트로 설정될 때, 제 2 및 제 4 FET(94, 96)는 턴 온되고, 제 1 및 제 3 FET(93, 95)는 턴 오프된다. 그 후, 이것은 감지기(10)에 대한 접속을 반대로 하여, 단부 "B"는 op 앰프의 (-) 입력(83)에 접속되고, 단부 "A"는 접지에 접속된다.

마이크로제어기(112)의 2 개의 포트 핀(110, 114)은, 2 개의 포트 핀을 0과 5 볼트 사이에서 주기적으로 스위칭하는 인터럽트를 발생시키는 내부 타이머를 이용하여, 마이크로제어기내의 소프트웨어에 의해 제어된다. 마이크로제어기의 핀(110, 114)으로부터의 신호는 도 11 및 도 12에 각각 도시된다. 그 신호들은 180^o편위상된 5 볼트 진폭을 갖는 단순한 구형파이다. 감지기(10)를 통해 인가된 AC 전압이 도 10에 도시된다. 이 응용에서, 감지기(10)에 대한 전압은 10 회/초(times/second)(10 Hz) 반전되지만, 다른 응용은 보다 느리거나 빠른 속도를 이용할 수 있다.

op 앰프(84)의 출력은 감지기(10)의 저항에 역비례하는 DC 전압이다. 도 13은 출력의 예를 도시한다. 하부의 선은 감지기의 저항이 20K 옴일 때의 출력 전압이다. 상부의 선은 감지기 저항이 15K 옴으로 변경될 때의 출력 전압이다. 출력 전압상에서의 약간의 리플(ripple)은 마이크로제어기로부터의 2 개의 포트 전압의 한정된 스위칭 시간과, 전압이 반전될 때의 캐패시터(82)의 재충전에 의해 발생된다. 그러나, 이러한 리플 전압은 감지기 저항 변화에 의해 발생된 전압 변화에 비해 매우 작기 때문에, 감지기 저항에서의 유효 변화를 검출하는 문제를 발생시키지 않는다.

도 9의 회로는 간략화된 것이며, 마이크로제어기는 op 앰프 회로에도 접속되어, 이득을 제어하고/하거나 넓게 변하는 감지기 저항을 위해 op 앰프를 보상한다. 또한, 마이크로제어기의 비사용 A/D 변환기 입력 중 하나에 서미스터(thermistor)를 부가하여 온도 보상을 제공할 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, op 앰프의 출력 전압은 마이크로제어기(112)의 아날로그/디지털 변환기 입력(116)에 접속될 수 있다. 그 후, 소프트웨어는 출력 전압 및 알려진 회로 파라미터를 이용하여 감지기의 저항을 계산함으로써, 감지기 환경, 즉 이 경우에는 인가된 힘을 결정할 수 있다. 본 실시예의 동작 동안, 감지기(10)에 힘이 인가될 때, 감지기(10)의 저항이 변화된다. A/D 입력(116)에서의 전압이 감지기(10)의 저항에 있어서의 사전결정된 변화를 나타내는 특정의 임계값에 도달할 때, 마이크로제어기(112)의 출력 포트(118)는 5 볼트까지 상승된다. 출력 포트(118)에서의 이러한 전압 증가는 MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)(120)를 턴 온시키고, 혼 릴레이(horn relay)(122)를 활성화한다.

도 11 및 도 12는 AC 감지기 드라이브를 생성하는 도 9의 회로의 FET(93, 94, 95, 96)를 드라이브하는데 필요한 마이크로제어기로부터의 180^o편위상 드라이브 신호를 도시한다. 도 13은 마이크로제어기(112)의 A/D 변환기에 인가되는, 회로로부터의 DC 출력 신호를 도시한다. 하부의 선은 감지기 저항이 20K 옴일 때의 신호이고, 상부의 선은 기계적인 힘이 감지기에 인가되어, 그 저항이 15K 옴으로 변경될 때의 신호이다.

Claims (5)

1. 힘(force)을 검출하는 장치에 있어서,

   인가된 힘에 응답하여 저항을 변화시키는 압력 감지기와,

   상기 압력 감지기에 교류 입력 전압을 제공하는 수단과,

   상기 힘이 인가될 때, 상기 압력 감지기로부터의 출력 전압에서의 변화를 검출하는 수단을 포함하는

   힘 검출 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 교류 입력 전압을 제공하는 수단은,

   DC 입력 전압과,

   상기 DC 입력 전압에 접속된 마이크로제어기를 포함하되,

   상기 감지기에 인가된 상기 전압은 상기 마이크로제어기에 의해 교류로 되는

   힘 검출 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 전압은 상기 마이크로제어기에 의해 반전되는 힘 검출 장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 전압은 10 Hz의 주파수에서 반전되는 힘 검출 장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 압력 감지기는 상기 힘이 인가됨에 따라 저항을 변화시키는 전도성 잉크(conductive ink) 및 압력 감응(pressure sensitive) 재료의 층으로 이루어지는 힘 검출 장치.