KR20070068438A - 캐패시티브 기술을 통한 갭-변화 감지 - Google Patents

캐패시티브 기술을 통한 갭-변화 감지 Download PDF

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KR20070068438A
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Abstract

캐패시티브 기술들을 이용한 갭-변화 감지가 기술된다. 일 실시예에서, 장치는 제1 전도성 면 및 그 제1 전도성 면에 실질적으로 평행한 제2 전도성 면과, 그리고 상기 제1 전도성 면과 상기 제2 전도성 면 사이의 거리의 변화에 기초하여 측정값을 생성하는 센서를 포함하여 구성된다. 상기 거리의 변화는 상기 제2 전도성 면에 대하여 상기 제1 전도성 면의 휘어짐에 의해 발생될 수 있고 상기 휘어짐은 압축력 및/또는 팽창력이 될 수 있다. 상기 센서는 정전 용량의 변화를 전압 변화 및/또는 주파수 변화로 변환하여 상기 측정값을 생성하는 알고리즘을 이용한다. 상기 거리의 변화는 상기 제2 전도성 면에 대하여 상기 제1 전도성 면 위의 면에 인가되는 부하에 의해 발생될 수 있다.
로드셀, 스택 디바이스, 박스 디바이스, 센서 캐패시터, 레퍼런스 캐패시터, 인쇄회로기판, 스페이서, 정전용량 변화 감지, 힘 측정 시스템

Description

캐패시티브 기술을 통한 갭-변화 감지{GAP-CHANGE SENSING THROUGH CAPACITIVE TECHNIQUES}
본 발명은 측정 디바이스들에 대한 기술분야에 관한 것으로, 특히 캐패시티브(capacitive) 기술을 통한 갭(gap)-변화 감지에 관한 것이다.
부하(load) 셀은 힘(force)을 차동신호(예컨대, 차동 전기 신호)로 변환하는 디바이스(예컨대, 변환기(transducer))가 될 수 있다. 부하 셀은 다양한 산업상 응용들(예컨대, 저울(scale), 트럭 무게 측정소(truck weigh station), 장력(tension) 측정 시스템, 힘 측정 시스템, 부하 측정 시스템 등)에 사용될 수 있다. 부하 셀은 스트레인 게이지(strain gauge)를 사용하여 생성될 수 있다. 스트레인 게이지는 물체의 변형(예컨대, 스트레인)을 측정하기 위해 사용될 수 있다. 스트레인 게이지는 플렉서블(flexible) 배킹(backing)을 포함할 수 있는 바, 이 플렉서블 배킹은 그 플렉서블 배킹 상에 식각되는 금속 박(foil) 패턴을 지지한다. 물체가 변형될 때, 금속 박 패턴이 변형되어 그것의 전기 저항이 변하게 된다.
상기 스트레인 게이지는 휘트스톤-브리지(Wheatstone-bridge) 구성(configuration)(예컨대, 4개의 스트레인 게이지)으로 부하셀을 형성하도록 다른 스트레인 게이지들과 연결될 수 있으며, 이 4개의 스트레인 게이지에서 1개는 미 지(unknown)의 값을 가지며, 1개는 가변적이고, 그리고 2개는 고정되어 동일하며, 이들은 사각형(square)의 변(side)들로서 연결된다. 입력 전압이 휘트스톤-브리지 구성의 부하 셀에 인가될 때, 출력은 상기 부하 셀 상의 힘에 비례하는 전압이 될 수 있다. 상기 출력은 그것이 사용자에 의해 판독되기 전에 (예컨대, 휘트스톤-브리지 구성의 원(raw) 출력이 단지 수 밀리-볼트가 될 수 있기 때문에) 증폭기에 의한 증폭(예컨대, 125X)을 필요로 할 수 있다. 추가적으로, 휘트스톤-브리지 구성의 부하 셀은 (예컨대, 수 밀리-와트의 전력으로) 동작시 상당한 양의 전력을 소비할 수 있다.
휘트스톤-브리지 구성의 부하 셀 제작에는 일련의 동작들(예컨대, 판단 가공(machining), 어태칭 스트레인 게이지들, 정합 스트레인 게이지들, 환경 보호 기술들 및/또는 신호 조절 회로에서의 온도 보상 등)이 수반된다. 이러한 동작들은 단지 60%의 생산 수율을 이루는 복잡성을 부가하여, 부하 셀의 특정 설계가 측정치(measurement)의 한정 범위(예컨대, 10 ~ 5000 lbs) 동안 단지 동작하게 해 줄 수 있다. 추가로, 휘트스톤-브리지 구성의 제약조건은 단지 형태 인자(factor)들의 한정된 개수(예컨대, s-타입 형태 인자 및/또는 단일 포인트 형태 인자 등)가 부하 셀의 요구 특성들을 달성하게 해 줄 수 있다. 부하 셀을 제조 및 사용하기 위한 다양한 동작들의 복잡성은 많은 산업적인 응용들에 대한 비용을 예컨대 수천 및 수만 달러로 높일 수 있다.
캐패시티브 기술들을 이용한 갭-변화 감지가 설명된다. 하나의 양상에서, 장치는 제1 전도성 면 및 그 제1 전도성 면에 실질적으로 평행한 제2 전도성 면과, 그리고 상기 제1 전도성 면과 상기 제2 전도성 면 사이의 거리의 변화에 기초하여 측정치를 산출하는 센서를 포함하여 구성된다. 상기 거리의 변화는 상기 제2 전도성 면에 대하여 상기 제1 전도성 면의 휘어짐(deflection; 휨력)에 의해 발생될 수 있고, 상기 휘어짐은 압축력 및/또는 팽창력이 될 수 있다. 상기 거리의 변화는 상기 제1 전도성 면 및/또는 상기 제2 전도성 면 사이의 스페이서의 두께의 변화에 의해 발생될 수 있다.
상기 센서는 정전 용량의 변화를 전압 변화 및/또는 주파수 변화로 변환하여 상기 측정치를 산출하는 알고리즘을 이용할 수 있다. 상기 측정치는 상기 제2 전도성 면에 대하여 상기 제1 전도성 면 위의 면에 인가되는 힘에 관한 것일 수 있다. 상기 거리 변화는 상기 제1 전도성 면 및/또는 상기 제2 전도성 면 위의 상기 면에 인가되는 부하에 의해 발생될 수 있다. 상기 제1 전도성 면 및 상기 제2 전도성 면은 센서 캐패시터(예컨대, 가변 캐패시터)를 형성할 수 있고, 상기 센서 캐패시터의 정전 용량의 변화는 상기 제1 전도성 면과 상기 제2 전도성 면 사이의 거리의 변화에 반비례할 수 있다.
상기 장치에 관련되는 레퍼런스 캐패시터는 상기 센서가 하나 이상의 환경 조건들(예컨대, 상기 제1 전도성 면과 상기 제2 전도성 면 사이의 간격에서의 습도, 상기 장치의 온도 및/또는 상기 장치를 둘러싸는 환경의 기압 등)에 기초하여 상기 측정치를 조절할 수 있도록 할 수 있다. 상기 제1 전도성 면 및/또는 상기 제2 전도성 면은 직사각형(rectangular) 모양, 타원(oval) 모양 그리고 모두 동일한 길이가 아닌 변(side)들을 갖는 모양을 비롯한 어떤 기하학적인 모양으로 제조될 수 있다. 상기 제1 전도성 면과 상기 제2 전도성 면은 상기 장치를 형성하는 복수의 비-전도성 인쇄회로기판 위에 페인팅될 수 있다.
다른 양상에서, 장치는 그 장치를 둘러싸는 환경 조건에 기초하여 정전 용량이 변하는 레퍼런스 캐패시터와, 센서 캐패시터를 형성하는 하나의 판의 휘어짐(deflection) 및/또는 상기 환경 조건에 기초하여 정전 용량이 변하는 상기 센서 캐패시터와, 그리고 상기 센서 캐패시터의 정전 용량으로부터 상기 환경 조건의 영향을 제거한 후 측정치를 산출하는 회로를 포함하여 구성된다. 상기 레퍼런스 캐패시터, 상기 센서 캐패시터, 그리고 상기 회로를 내포(encompass)하는 하우징이 더 포함되어 구성된다.
상기 휘어짐(deflection)을 받는 상기 판(들)은 상기 하우징 내부에 통합될 수 있다.
상기 하우징은 그 하우징을 생성하도록 각각 레이저 에칭되고 함께 접착되는 금속 판들로 형성될 수 있다. 상기 하우징은 그 하우징을 형성하도록 밀링된 단일의 금속 블럭으로 형성될 수 있다. 상기 센서 캐패시터를 형성하는 판(들)의 휘어짐은 상기 하우징에 인가되는 부하에 의해 발생될 수 있고, 상기 측정치는 상기 하우징에 인가되는 힘(예컨대, 상기 힘은 부하에 의해 발생될 수 있다)에 관련되는 것일 수 있다. 상기 레퍼런스 캐패시터와 상기 하우징의 바닥 사이에 차폐 스페이서는 상기 측정치에 영향을 주는 부유 정전 용량의 효과를 최소화할 수 있고, 상기 차폐 스페이서의 높이는 상기 레퍼런스 캐패시터의 판들 사이 및 상기 센서 캐패시터의 판들 사이의 판 스페이서보다 적어도 10배 더 클 수 있다.
상기 레퍼런스 캐패시터를 형성하는 각 판의 영역은 상기 센서 캐패시터를 형성하는 각 판의 영역보다 적어도 10배 더 커서 상기 측정치를 산출할 때 요구되는 증폭량을 감소시킬 수 있다. 상기 회로는 무선 송신기와 무선 수신기를 포함할 수 있고 상기 장치는 그 장치의 다양한 동작들에 의해 생성되는 데이터를 분석하는 데이터 처리 시스템과 네트워크를 통해 통신할 수 있다.
또 다른 양상에서, 방법은 가변 캐패시터를 형성하는 제1 전도성 면과 제2 전도성 면 사이의 거리의 변화에 기초하여 측정치를 자동적으로 산출하는 단계와, 그리고 상기 가변 캐패시터와 관련되는 데이터 처리 시스템에 상기 측정치를 통신하는 단계를 포함하여 이루어진다. 상기 거리의 변화는 상기 제2 전도성 면에 대하여 상기 제1 전도성 면의 휘어짐(예컨대, 상기 휘어짐은 압축력 및/또는 팽창력이 될 수 있다)에 의해 발생될 수 있다. 상기 방법은 레퍼런스 캐패시터의 데이터를 분석함으로써 적어도 하나의 환경 조건에 기초하여 상기 측정치를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 어떤 기하학적인 모양으로 상기 가변 캐패시터와 상기 레퍼런스 캐패시터를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 제1 전도성 면과 상기 제2 전도성 면을 비-전도성 인쇄회로기판들 상에 페인팅하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 머신(machin)에 의해 실행될 때, 그 머신으로 하여금 여기에 설명되는 동작들을 수행하게 하는 명령어들의 집합이 수록된 머신-판독 가능 매체에서도 실행될 수 있다. 다른 특징들은 실시 도면들과 아래의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
실시예들이 예시적인 방식으로(실시 도면들에 한정되지 않음) 도시되는바, 여기서 같은 참조번호들은 같은 엘리먼트들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 캐패시터 및 레퍼런스 캐패시터를 구비하는 스택 디바이스의 3차원 도면이다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 센서 캐패시터 및 레퍼런스 캐패시터를 구비하는 스택 디바이스의 분해도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 캐패시터 및 레퍼런스 캐패시터를 구비하는 박스 디바이스의 3차원 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 박스 디바이스에 센서 캐패시터 및 레퍼런스 캐패시터를 내포하기 위해 사용될 수 있는 형상화된 물질(material)의 3차원 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 박스 디바이스에 센서 캐패시터 및 레퍼런스 캐패시터를 내포하기 위해 사용될 수 있는 다중 층 물질(material)의 3차원 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 디바이스가 네트워트로 연결되는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 힘(700)을 측정하는 처리 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 캐패시터 및 레퍼런스 캐패시터를 구비하는 착석(seat) 디바이스를 보인다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 캐패시티를 형성하는 제1 전도성 면과 제2 전도성 면 사이의 거리의 변화에 기초하여 측정치의 자동 생성에 대한 처리 흐름도이다.
본 발명의 다른 특징들은 실시 도면들 및 아래의 상세 설명으로부터 명백해질 것이다.
캐패시티브 기술을 통한 갭-변화 감지가 설명된다. 아래의 설명내용에서, 설명의 목적을 위해, 다양한 실시예들을 전반적으로 이해하도록 많은 특정 세부 사항들이 제시된다. 그러나, 다양한 실시예들이 이러한 특정 세부 사항들 없이 실시될 수 있음은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 예시적인 실시예는 센서 캐패시터를 형성하는 제1 전도성 면과 제2 전도성 면 사이의 거리의 변화에 기초하여 측정치를 자동적으로 산출하는 방법들 및 시스템들을 제공한다. 레퍼런스 캐패시터는 적어도 하나의 환경 조건에 기초하여 측정치를 조절하도록 사용될 수 있다.
추가로, 다른 실시예에 따른 방법은 상기 센서 캐패시터와 관련되는 데이터 처리 시스템으로 측정치를 통신하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은, 머신에 의해 실행될 때, 그 머신으로 하여금 여기에 설명되는 방법을 수행하게 하는 명령어들의 집합이 수록된 머신-판독 가능 매체에서 실행될 수 있다. 아래에 설명되는 방법 및 시스템의 실시예들은 높은 정확성 및 저 비용의 부하 감지 디바이스들(예컨대, 부하 감지기들, 압력 감지기들 등)을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 여기에 논의되는 다양한 실시예들은 동일한 실시예가 될 수도 되지 않을 수도 있으며, 여기에 명백하게 논의되지 않은 다른 다양한 실시예들로 그룹핑될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 캐패시터(예컨대, 도 8에 예시된 센서 캐패시터(808)) 및 레퍼런스 캐패시터(예컨대, 도 8에 예시된 레퍼런스 캐패시터(806))를 구비하는 스택 디바이스(150)의 3차원 도면이다. 스택 디바이스(150)는 최상층(100), 인쇄회로기판(PCB)(102), 스페이서(104), 인쇄회로기판(106), 스페이서(108), 인쇄회로기판(110), 차폐(shielding) 스페이서(112)(예컨대, 차폐 스페이서는 스페이서의 어떤 타입이라도 될 수 있다) 그리고 하위층(bottom layer; 바닥 층)(114)을 포함하여 구성된다. 케이블(116)(예컨대, 인터페이스 케이블)은 스택 디바이스(150)를 데이터 처리 시스템(예컨대, 도 6에 예시된 데이터 처리 시스템(602))에 연결할 수 있다. 추가로, 힘(118)(예컨대, 부하, 무게, 압력 등)이 도 1에 도시된 바와 같이 최상층(100)에 인가될 수 있다. 스택 디바이스(150)의 다양한 구성요소들이 도 2a 내지 도 2g를 참조하여 가장 잘 이해될 수 있다.
도 2a 내지 도 2g는 도 1의 스택 디바이스(150)의 분해도이다. 도 2a는 최상층(100) 및 인쇄회로기판(102)을 보여준다. 최상층(100)은 알루미늄, 스틸 및/또는 플라스틱 등과 같은 물질로 생성될 수 있다. 인쇄회로기판(102)은 전도성 면(216)을 포함하여 구성된다. 상기 전도성 면은 인쇄회로기판(102) 상에 페인팅(예컨대, 스퍼터링(sputter), 코팅 등)될 수 있다. 인쇄회로기판(102)은, 힘(118)이 (예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이) 최상층(100)에 인가될 때 최상층(100), 인쇄회로기판(102) 및 전도성 면(216)이 휘도록(예컨대, 힘(118)의 반응으로 스택 디바이 스(150) 내부로 밀도록), 도 2a에 도시된 바와 같이 최상층(100)에 결합(예컨대, 나사로 고정, 본드로 고정, 식각, 접착제로 붙임, 붙임 등)될 수 있다.
전도성 면(216)이 휘게 되어 센서 캐패시터(예컨대, 센서 캐패시터는 도 2a, 도 2b 및 도 2c에 도시된 바와 같이 스페이서(104)에 의해 분리되는 전도성 면(216) 및 전도성 면(220)에 의해 형성될 수 있다)의 정전용량(capacitance)이 변화되게 된다. 거리의 변화는 전도성 면(220)에 대하여 전도성 면(216)의 휘어짐에 의해서 발생될 수 있고 아울러 압축력 및/또는 팽창력이 될 수 있다. 일 실시예에서, 전도성 면(216) 및 전도성 면(220)은 서로 간에 실질적으로 평행하며 동일한 물리적인 영역 및/또는 두께를 갖는다. 센서 캐패시터의 정전 용량의 변화는 일 실시예에서 전도성 면(216) 및 전도성 면(220) 사이의 거리의 변화에 반비례할 수 있다.
도 2b는 도 1의 스택 디바이스(150)의 스페이서(104)의 도면이다. 스페이서(104)는 절연 물질(예컨대, 플라스틱, 폴리머(polymer), 발포제(foam) 등)로 생성될 수 있다. 스페이서(104)는 전도성 면(216) 및 전도성 면(220) 사이의 갭(gap)을 생성할 수 있다. 상기 갭은 공기 또는 다른 어떤 가스(예컨대, 비활성 기체)로 채워질 수 있다. 일 실시예에서, 스페이서(104)는 딱딱하여, 힘(118)(예컨대, 도 1에서 도시된 바와 같이)이 최상층(100)에 인가될 때 휘지 않을 수 있다. 다른 실시예에서, 힘(118)이 최상층(100)에 인가될 때 스페이서(104)의 압력이 증가 및/또는 감소되기 때문에 힘(118)이 최상층(100)에 인가될 때 스페이서(104)는 확장 및/또는 수축된다.
도 2c는 인쇄회로기판(106)(예컨대, 비-전도성 물질)의 도면이다. 도 2c에 도시된 실시예에서, 전도성 면(220)은 인쇄회로기판(106)의 하나의 면 위에 페인팅(예컨대, 코팅, 스퍼터링 등)된다. 추가로, 전도성 면(220)은 도 2c에 도시된 바와 같이 인쇄회로기판(106)의 다른 하나의 면 위에 페인팅될 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 전도성 면(220) 및 전도성 면(222)은 인쇄회로기판(106)이 아닌 다른 층들(예컨대, 인쇄회로기판(106)의 위 및/또는 아래의 상이한 층들)로 분리될 수 있다.
도 2c에 도시된 바와 같은 전도성 면(222) 및 도 2e에 도시된 바와 같은 전도성 면(228)은 도 2d에 도시된 바와 같은 스페이서(108)에 의해 분리될 수 있다. 전도성 면(222) 및 전도성 면(228)은 일 실시예에 따른 레퍼런스 캐패시터(예컨대, 도 8의 레퍼런스 캐패시터(806)와 유사함)를 형성할 수 있다. 힘(118)이 최상층(100)에 인가될 때 서로에 대해 위치들을 변경하지 않을 수 있기 때문에, 그들의 정전 용량은 인가된 힘(118)에 응답하여 변하지 않을 수 있다(예컨대, 정전 용량은 "정전용량=(오버랩되는 영역에 의해 곱해지는 유전율) ÷ (면들 사이의 거리)"로서 계산된다).
이러한 것으로서, 전도성 면(222) 및 전도성 면(228)에 의해 형성되는 레퍼런스 캐패시터는 단지 환경적인 요인(예컨대, 제1 전도성 면 및 제2 전도성 면, 스택 디바이스(150)의 온도, 그리고 스택 디바이스(150)를 둘러 싸는 환경의 공기 압력 등)에 대해 정전 용량이 변화될 수 있다. 그러므로, 이러한 환경적인 요인들에 의한 영향은, 힘(118)이 스택 디바이스(150)에 인가될 때 센서 캐패시터(예컨대, 전도성 면(216) 및 전도성 면(220)에 의해 형성됨)의 정전 용량의 변화를 측정함으로써 제거되어, 센서 캐패시터의 정전 용량의 변화를 보다 정확하게 결정할 수 있다.
전도성 면(222) 및 전도성 면(228)의 면 영역은 센서 캐패시터(예컨대, 전도성 면(216) 및 전도성 면(220))를 형성하는 각 판의 영역보다 적어도 10배나 더 커서, 일 실시예에서 (예컨대, 도 2e에 도시된 처리 모듈(224)을 이용하여) 최상층(100)에 인가되는 힘(118)의 측정치를 생성할 때 요구되는 증폭량을 감소시킬 수 있다. 도 2e의 처리 모듈(224)은 커넥터(226)를 포함할 수 있는바, 이 커넥터(226)는 스택 디바이스(150)(예컨대, 도 1에 도시된 바와 같은)를 데이터 처리 시스템(602)(예컨대, 도 6에 도시된 바와 같은)에 케이블(116)(예컨대, 도 1에 도시된 바와 같은)을 통해 연결한다. 처리 모듈(224)은 도 2a의 전도성 면(216)과 도 2c의 전도성 면(220) 사이의 거리의 변화에 기초하여 측정치를 생성(예컨대, 도 7에 도시되는 동작들을 수행함으로써)하기 위해 사용될 수 있다. 추가로, 처리 모듈(224)은 센서 캐패시터의 정전 용량으로부터 환경적인 조건의 영향을 제거(예컨대, 레퍼런스 캐패시터에서의 변화를 감산함으로써 제거하고, 이 레퍼런스 캐패시터에서의 변화는 환경적인 조건들에 의해 영향을 받을 수 있다)한 후 센서 캐패시터의 측정치를 산출할 수 있다.
도 2f에 도시된 차폐 스페이서(112)는 (예컨대, 상기 측정치에 영향을 주는 부유 정전용량의 효과를 최소화하도록) 하위층(114)으로부터 인쇄회로기판(110)을 분리할 수 있다. 일 실시예에서, 차폐 스페이서(112)의 높이는 레퍼런스 캐패시터 의 판들 사이(예컨대, 스페이서(108)) 그리고 센서 캐패시터의 판들 사이(예컨대, 스페이서(104))의 판 스페이서들(예컨대, 스페이서(104) 및 스페이서(108))보다 적어도 10배 더 클 수 있다. 하위 판(plate)(114)은 도 2g에 도시된다. 하위 판(114)은 도 2g에 도시된 바와 같이 옴폭부(indentation)(232)을 포함할 수 있다. 상기 옴폭부(232)는 처리 모듈(224)의 바로 아래에 배치되어, 커넥터(226)가 하위 층(114) 내부에 얹혀 있게 해 준다. 하위층(114)은 일 실시예에서 최상층(100)과 동일한 물질로 만들어질 수 있다. 도 2g에 도시된 바와 같은 나사(230)의 세트는 도 2a 내지 도 2g에 도시된 다양한 구성 요소들을 서로에게 물리적으로 연결하여 일 실시예에서 스택 디바이스(150)를 형성할 수 있다(예컨대, 대안적인 실시예들에서 다양한 구성 요소들은 함께 용접될 수 있고 기타 다른 방법으로 함께 묶일 수 있다).
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 캐피시터(예컨대, 도 8에 도시된 바와 같은 센서 캐패시터(808)) 및 레퍼런스 캐패시터(예컨대, 도 8에 도시된 바와 같은 레퍼런스 캐패시터(806))를 구비하는 박스 디바이스(350)의 3차원 도면이다. 박스 디바이스(350)는 최상층(300), 인쇄회로기판(302), 인쇄회로기판(306), 스페이서(308), 인쇄회로기판(310), 차폐 스페이서(312) 및 하위 컵(bottom cup)(314)을 포함하여 구성된다. 인쇄회로기판(306)은 하나의 면 상에 페인팅되는 전도성 면(320)(예컨대, 도 2c에 도시된 바와 같은 전도성 면(220)과 유사함)과 다른 면 상에 페인팅되는 전도성 면(322)(예컨대, 도 2c에 도시된 바와 같은 전도성 면(222)과 유사함)을 구비하는 것으로 예시된다. 인쇄회로기판(312) 상에 페인팅된 전도성 면(316)과 인쇄회로기판(306)에 페인팅된 전도성 면(320)은 센서 스페이서(예컨대, 도 8에서 설명되는 센서 스페이서(808))를 형성할 수 있다.
도 1의 스택 디바이스(150)와 다르게, 도 3의 박스 디바이스(350)는 인쇄회로기판(302)과 인쇄회로기판(306) 사이에 스페이서(예컨대, 스페이서(104))를 구비하지 않는다(예컨대, 이러한 스페이서는 도 3에서는 필요하지 않다. 왜냐하면, 정상(top)(예컨대, 최상층(300) 및 인쇄회로기판(302)의 결합으로써 형성됨)이 하위컵(314) 위에 놓일 때 인쇄회로기판(302)과 인쇄회로기판(306) 사이에 간격을 생성하도록 하위컵(314)이 인쇄회로기판(306)의 정상보다 더 높기 때문이다). 하위컵(314), 최상층(300) 및 인쇄회로기판(302)은 물리적인 치수들을 갖는바, 이러한 물리적인 치수들은 박스 디바이스(350)를 형성하는 다른 구성요소들(예컨대, 인쇄회로기판(306))보다 더 크다. 게다가, 최상층(300)과 인쇄회로기판(302)은 서로 통합(예컨대, 본드로 붙이거나, 접착제로 붙이거나, 나사로 죄이거나, 단단히 고정시키거나 등등)될 수 있다. 도 3의 박스 디바이스(350))의 다른 실시예들은 도 2a 내지 도 2g에 설명되는 실시예들과 동일할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 박스 디바이스(350)에 센서 캐패시터(예컨대, 도 8에 예시되는 센서 캐패시터(808)) 및 레퍼런스 캐패시터(예컨대, 도 8에 예시되는 레퍼런스 캐패시터(806))를 내포(예컨대, 하우징을 제공)하기 위해 사용될 수 있는 형상화된 물질(carved material)의 3차원 도면이다. 도 4에서, 단일 블럭(예컨대, 스틸)이 하위 컵(414)을 형성하도록 사용된다. 일 실시예에서, 도 4에 도시된 하위컵(414)은 도 3의 하위층(314)을 대체하여, 다양한 구조들(예컨 대, 용량성(capacitive) 면들/판들, 스페이서들 등)을 도 3에 도시된 바와 같이 하위층(314)과 최상층(300) 사이에 포함한다. 하위컵(414)은 어떤 처리(process)(예컨대, 자르기, 밀링, 에칭 및/또는 드릴링(drilling) 등을 수반함)를 통해 금속의 단일 조각으로 형성될 수 있는바, 상기 어떤 처리는 하위컵(414)의 구조(structural) 및/또는 인장(tensile) 보전(integrity)을 유지한다. 이러한 방법으로, 하위컵(414)의 벽들을 통해 힘을 아래 방향으로 채널링함으로써 하위컵(414)은 보다 많은 양의 힘(예컨대, 도 1의 힘(118))을 견디는 것이 가능할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 박스 디바이스(350)에 센서 캐패시터 및 레퍼런스 캐패시터를 내포하기 위해 사용될 수 있는 다중 층(multiple layers) 물질(material)의 3차원 도면이다. 특히, 도 5는 일 실시예에 따른 다중 층 물질로 형성된 하위컵(514)을 보여준다. 단일의 얇고 단단한 금속 블럭은 도 5에 도시된 바와 같이 하위 층(500)을 형성할 수 있다. 추가로, 하위 컵(514)의 다른 층들은, (예컨대, 도 4의 하위컵(414)에서 요구될 수 있다면, 단일 블럭에서 밀링 기법들보다 더 낮은 비용에서 하위 컵(514)을 형성하도록) 레이저 절단(예컨대, 레이저 에칭) 및/또는 패터닝된 층들(예컨대, 층들(502A-502N))로부터 형성될 수 있다. 예를 들면, 층들(502A-502N)은 표준 금속 사이즈 및/또는 모양이 될 수 있고, 그럼으로써 하위컵(514) 제조의 비용을 줄일 수 있다.
일 실시예에서, 도 5의 하위컵(514)은 도 3의 하위 컵(314)을 대체하여, 도 3에 도시된 바와 같이 하위층(314)과 최상층(300) 사이에 다양한 구조들(예컨대, 용량성 면들/판들, 스페이서들 등)을 포함한다. 도 4의 실시예와 유사하게, 도 5의 하위 컵(514)은 그 하위컵(514)의 벽들을 통해 힘을 아래 방향으로 채널링함으로써 보다 많은 양의 힘(예컨대, 도 1의 힘(118))을 견디는 것이 가능할 수 있다. 게다가, 표준 머시닝 기술들이 하위컵(514)을 제조하도록 사용될 수 있기 때문에 하위컵(514)은 도 4에 도시된 하위컵(414)보다 덜 비싸게 제조될 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따라, 도 1의 디바이스가 네트워크로 연결된 도면이다. 제 1 실시예의 디바이스(150A)는 인터페이스 케이블(예, 도 1의 케이블(116) 및/또는 도 6의 케이블(616))을 통해 데이터 처리 시스템(602)과 연결된다. 제 2 디바이스(150B)는 네트워크(600)를 통해 상기 데이터 처리 시스템(602)으로 무선으로 연결된다. 일 실시예에서, 상기 네트워크(600)는 인터넷 네트워크이다. 다른 실시예에서, 상기 네트워크(600)는 LAN(local area network)이다. 데이터 처리 시스템(606)은 네트워크(600)를 통해 디바이스(150A) 및/또는 디바이스(150B)로부터 데이터(예, 힘 및/또는 부하를 측정하는 출력 데이터)를 수신할 수 있다. 일 실시예에서, 데이터 처리 시스템(606)은 상기 장치(예, 스택 디바이스(150A))의 다양한 동작에 의해 산출되는 데이터(예, 측정치들)을 분석한다. 액세스 디바이스(604)(예, 무선 네트워크를 형성하는 디바이스들 간에 무선 통신을 가능하게 하는 장치)는 디바이스(150B)에 무선 접속성을 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 디바이스(150B)는 디바이스(150B)가 네트워크(600)을 통해 무선으로 통신할 수 있도록 하기 위한 송수신 회로(608) 및/또는 무선 인터페이스 제어기(610)을 포함한다. 일 실시예에서, 송수신 회로(608) 및/또는 무선 인터페이스 제어기(610)은 도 7의 처리 모듈(714)로 집적될 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따라 힘(700)을 측정하는 프로세스에 대한 것이다. 도 7에서, 일 실시예에 따라, 힘(700)이 센서(702)(예, 도 1의 전도성 면(106)을 가지는 최상층(102))에 가해질 수 있다. 전자회로(예, 소프트웨어 및/또는 하드웨어 코드)는 도 1의 힘(118)이 장치(예, 스택 디바이스(150) 및/또는 박스 디바이스(350))에 가해질 때 센서 캐패시터(예, 도 2A 및 도 2C에 도시된 바와 같이 센서 캐패시터를 구성하는 전도성 면(216)과 컨덕티브(220) 간에)의 플레이트들 간 거리(704)(예, 갭) 변화를 측정하기 위해 알고리즘을 적용할 수 있다. 대안적인 실시예로서, 플레이트들 사이의 영역 변화가 갭 변화보다 고려될 수 있다.
다음, 캐패시턴스(706) 변화는 상기 센서 캐패시터(예, 도 1의 전도성 면(106)을 가지는 최상층(102))를 형성하는 상기 플레이트들 간에 갭 변화에 기반하여 계산될 수 있다. 캐패시턴스(706) 변화, 전압 변화(708), 그리고/또는 주파수 변화(710)는 역시 계산되어 측정치(예, 센서(702)에 가해진 힘(700)의 측정치)를 산출할 수 있다. 캐패시턴스 변화(706) 데이터, 전압 변화(708) 데이터, 그리고/또는 주파수 변화 데이터(710)는 디지타이저 모듈(712)(예, 아날로그 대 디지털 변환기(AD converter))로 제공될 수 있다. 결국, 디지타이저 모듈(712)은 캐피시턴스 변화(706)데이터, 전압 변화(708) 데이터, 그리고/또는 주파수 변화 데이터(710)를 읽을 수 있는 측정치(716)(예, 센서(702)에 가해진 힘(700)의 측정치)로 변환하기 위해, 처리 모듈(714)(예, 처리 모듈(224)에 집적될 수 있는 마이크로프로세서)과 함께 동작할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따라, 센서 캐패시터(808)(예, 가변 캐패시터) 및 레퍼 런스 캐패시터(806)를 가지는 시트 디바이스(850)이다. 시트 디바이스(850)(예, 차 시트 디바이스, 비행기 시트 디바이스 등)는 구조 정착 볼트(800) 및 레일 마운팅 볼트(802)를 포함한다. 인가 무게(820)(예, 차의 시트에 앉아있는 사람)는 상위 컵(816) 및 센서 캐패시터(808)의 한 플레이트 상에 힘을 미칠 수 있다. 오프셋 로케이팅 돌기(818)는 구조 정착 볼트(800) 및 상위 컵(816) 사이에 접합점을 제공할 수 있다. 상위 컵(816)은 도 1에서의 상위 플레이트(100)와 유사할 수 있고, 그리고 센서 캐패시터(808)는 도 2A 및 도 2C에 도시된 전도성 면(216) 및 전도성 면(220)에 의해 형성될 수 있다. 센서 캐패시터(808) 및 레퍼런스 캐패시터(806)를 형성하는 다양한 전도성 면들은, 사각형, 타원형, 그리고 모두 같은 길이를 가지지 않는 측면을 가지는 모양을 포함하는 임의의 기하학적 모양으로 만들어질 수 있음을 밝혀둔다.
마운팅 나사(814) 세트는 전자 패키지(812)(도 2E에 도시된 처리 모듈(224)를 가지는)를 도 8에 도시된 스페이서(810) 및 하위 컵(804)으로 조여줄 수 있다. 스페이스(810)는 레퍼런스 캐패시터(806)과 하위 컵(804) 사이에 위치할 수 있고, 그리고 일 실시예에서 레퍼런스 캐패시터(806)의 플레이트들 및 센서 캐패시터(808)의 플레이트들간의 플레이트 스패이서보다 10 배는 더 클 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 9는 센서 캐패시터(예, 도 8의 센서 캐패시터(808))를 구성하는 제 1 전도성 면(예, 도 2A의 전도성 면(216) 및 제 2 전도성 면(예, 도 2C의 전도성 면(220)) 간 거리 변화에 기반한 측정치(예, 도 2E에 도시된 처리 모듈(224)을 사용함)의 자동 생성 프로세스 플로우이다.
동작(902)에서, 제 1 전도성 면(예, 도 2A의 전도성 면(216)) 및 제 2 전도성 면(예, 도 2C의 전도성 면(220))은 비 전도성 PCB(예, 각각 PCB(102) 및 PCB(106))에 그려질 수 있다.
그런 다음 동작(904)에서, 센서 캐패시터(예컨대, 센서 캐패시터(808)) 및 레퍼런스 캐패시터(예, 레퍼런스 캐패시터(806))는 임의의 기하학적 모양(예, 센서 캐패시터 및/또는 레퍼런스 캐패시터의 플레이트들은 직사각형, 정사각형, 원형 등)으로 만들어질 수 있다. 동작(906)에서, 측정치는 제 1 전도성 면 및 제 2 전도성 면(예, 상기 거리는 도 1의 힘(118)이 스택 디바이스(150), 박스 디바이스(350), 및/또는 시트 디바이스(850)에 가해질 때 변할 수 있다) 간 거리 변화에 기반하여 자동적으로 산출될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 거리 변화는 제 1 전도성 면의 휨 현상(deflection)(예, 도 1의 힘(118)에 의한 압축적인 힘 및/또는 팽창적인 힘)에 의한 것일 수 있다. 대안적인 실시예에서, 거리 변화는 제 1 전도성 면 및 제 2 전도성 면 간 적어도 하나의 스페이서(예, 도 2B의 스페이서(104)) 두께 변화에 의한 것일 수 있다.
동작(908)에서, 알고리즘(예, 반복 알고리즘)은 캐패시턴스 변화를 전압변화 및/또는 주파수 변화로 전환하여 상기 측정치를 산출하도록 적용된다. 동작(910)에서, 상기 측정치는 레퍼런스 캐패시터의 데이터를 분석함으로써 적어도 하나의 환경적 조건에 기반하여 조절될 수 있다(상기 환경적 조건은 습도, 온도 등일 수 있다). 상기 측정치는 동작(912)에서 상기 센서 캐패시터(예, 스택 디바이스(150A) 내의 상기 센서 디바이스)와 연결된(예, 도 6의 케이블(616) 및/또는 네트워 크(600)을 통해) 데이터 처리 시스템(예, 도 6에 도시된 데이터 처리 시스템(602))에 전달될 수 있다.
비록 본 발명의 실시예들이 특정 예를 참조하여 설명되었지만, 다양한 실시예들의 보다 넓은 기술적 사상과 범위 내에서 이 실시예들에 다양한 수정과 변경이 가능함은 명백할 것이다. 예를 들어, 여기서 설명된 도 2E의 처리 모듈(224), 도 6의 송수신 회로(608), 도 6의 무선 인터페이스 제어기(610), 그리고/또는 도 7의 처리 모듈(714)은 하드웨어 회로(예, CMOS 기반 논리 회로), 펌웨어(firmware), 소프트웨어 및/또는 하드웨어, 펌웨어, 그리고/및 소프트웨어(예, 기계 판독가능한 매체에 구현된)의 임의의 조합을 사용하여 작동 및 운영될 수 있다.
예를 들면, 디지털 변환 모듈(712) 및/또는 상기 처리 모듈(714)는 소프트웨어를 사용하여 그리고/또는 트랜지스터들, 논리 게이트들, 그리고 디지털 변환 회로 및/또는 처리 회로와 같은 전기적인 회로들(예, ASIC회로)을 사용하여 작동될 수 있다. 게다가, 여기에 개시된 상기 다양한 동작들, 프로세스들, 그리고 방법들은 데이터 처리 시스템(예, 컴퓨터 시스템)과 호환되는 기계 판독형 매체 및/또는 기계 접속가능한 매체로 구현될 수 있고, 그리고 임의의 순서로 수행되어질 수 있다(예, 상기 다양한 동작들을 달성하기 위한 수단을 사용하는 단계를 포함). 따라서, 본 명세서 및 도면들은 제한적인 것이라기보다는 예시적인 것으로서 간주된다.

Claims (30)

  1. 제1 전도성 면 및 그 제1 전도성 면에 실질적으로 평행한 제2 전도성 면과; 그리고
    상기 제1 전도성 면과 상기 제2 전도성 면 사이의 거리의 변화에 기초하여 측정치를 산출하는 센서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 거리의 변화는 상기 제2 전도성 면에 대하여 상기 제1 전도성 면의 휘어짐(deflection)에 의해 발생되고, 상기 휘어짐은 압축력과 팽창력 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 거리의 변화는 상기 제1 전도성 면과 상기 제2 전도성 면 사이의 적어도 하나의 스페이서의 두께의 변화에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는 정전 용량의 변화를 전압 변화와 주파수 변화 중 적어도 하나로 변환하여 상기 측정치를 산출하는 알고리즘을 이용하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 측정치는 상기 제2 전도성 면에 대하여 상기 제1 전도성 면 위의 면에 인가되는 힘에 관한 것인 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 거리의 변화는 상기 제2 전도성 면에 대하여 상기 제1 전도성 면 위의 상기 면에 인가되는 부하에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 전도성 면 및 상기 제2 전도성 면은 센서 캐패시터를 형성하고, 여기서 상기 센서 캐패시터의 정전 용량의 변화는 상기 제1 전도성 면과 상기 제2 전도성 면 사이의 거리의 변화에 반비례하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치에 관련되는 레퍼런스 캐패시터를 더 포함하여 구성되어, 상기 센서가 적어도 하나의 환경 조건에 기초하여 상기 측정치를 조절할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 환경 조건은 상기 제1 전도성 면과 상기 제2 전도성 면 사이의 간격에서의 습도, 상기 장치의 온도 그리고 상기 장치를 둘러싸는 환경의 기압인 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전도성 면과 상기 제2 전도성 면은 직사각형(rectangular) 모양, 타원(oval) 모양 그리고 모두 동일한 길이가 아닌 변(side)들을 갖는 모양을 비롯한 어떤 기하학적인 모양으로 제조되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전도성 면과 상기 제2 전도성 면은 상기 장치를 형성하는 복수의 비-전도성 인쇄회로기판 위에 페인팅되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 장치로서,
    상기 장치를 둘러싸는 환경 조건에 기초하여 정전 용량이 변하는 레퍼런스 캐패시터와;
    센서 캐패시터를 형성하는 적어도 하나의 판의 휘어짐과 상기 환경 조건에 기초하여 정전 용량이 변하는 상기 센서 캐패시터와; 그리고
    상기 센서 캐패시터의 정전 용량으로부터 상기 환경 조건의 영향을 제거한 후 측정치를 산출하는 회로를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 레퍼런스 캐패시터, 상기 센서 캐패시터, 그리고 상기 회로를 내포(encompass)하는 하우징을 더 포함하여 구성되고, 여기서, 상기 휘어짐을 받는 상기 적어도 하나의 판은 상기 하우징 내부에 통합되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 하우징은 그 하우징을 생성하도록 각각 레이저 에칭되고 접착된 복수의 금속 판들로 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 하우징은 그 하우징을 형성하도록 밀링된 단일의 금속 블럭으로 형성되는 것을 특징으로 장치.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 센서 캐패시터를 형성하는 상기 적어도 하나의 판의 휘어짐은 상기 하우징에 인가되는 부하에 의해 발생되고, 여기서, 상기 측정치는 상기 하우징에 인가되는 힘에 관련되는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 레퍼런스 캐패시터와 상기 하우징의 바닥 사이에 차폐 스페이서를 더 포함하여 구성되어, 상기 측정치에 영향을 주는 부유 정전 용량의 효과를 최소화하고, 여기서, 상기 차폐 스페이서의 높이는 상기 레퍼런스 캐패시터의 판들 사이 및 상기 센서 캐패시터의 판들 사이의 판 스페이서보다 적어도 10배 더 큰 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 레퍼런스 캐패시터를 형성하는 각 판의 영역은 상기 센서 캐패시터를 형성하는 각 판의 영역보다 적어도 10배 더 커서 상기 측정치를 산출할 때 요구되는 증폭량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 회로는 무선 송신기와 무선 수신기를 포함하고 여기서 상기 장치는 그 장치의 다양한 동작에 의해 생성되는 데이터를 분석하는 데이터 처리 시스템과 네트워크를 통해 통신하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 가변적인 캐패시터를 형성하는 제1 전도성 면과 제2 전도성 면 사이의 거리의 변화에 기초하여 측정치를 자동적으로 산출하는 단계와; 그리고
    상기 가변적인 캐패시터와 관련되는 데이터 처리 시스템으로 상기 측정치를 통신하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 거리의 변화는 상기 제2 전도성 면에 대하여 상기 제1 전도성 면의 휘어짐에 의해 발생되고, 여기서 상기 휘어짐은 압축력과 팽창력 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 거리의 변화는 상기 제1 전도성 면과 상기 제2 전도성 면 사이의 적어도 하나의 스페이서의 두께의 변화에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 20 항에 있어서,
    정전 용량의 변화를 전압 변화와 주파수 변화 중 적어도 하나로 변환하여 상기 측정치를 산출하는 알고리즘을 이용하는 단계를 더 포함하고, 여기서 상기 측정치는 상기 제2 전도성 면에 대하여 상기 제1 전도성 면 위의 면에 인가되는 힘에 관련되는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 거리의 변화는 상기 제2 전도성 면에 대하여 상기 제1 전도성 면 위의 상기 면에 인가되는 부하에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 가변적인 캐패시터의 정전 용량의 변화는 상기 제1 전도성 면과 상기 제2 전도성 면 사이의 거리의 상기 변화에 반비례하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 20 항에 있어서,
    레퍼런스 캐패시터의 데이터를 분석함으로써 적어도 하나의 환경 조건에 기초하여 상기 측정치를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 환경 조건은 상기 제1 전도성 면과 상기 제2 전도성 면 사이의 간격에서의 습도, 상기 가변적인 캐패시터의 온도 그리고 상기 가변적인 패캐시터를 둘러싸는 환경의 기압인 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 가변적인 캐패시터와 상기 레퍼런스 캐패시터를 직사각형(rectangular) 모양, 타원(oval) 모양 그리고 모두 동일한 길이가 아닌 변(side)들을 갖는 모양을 비롯한 어떤 기하학적인 모양으로 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 20 항에 있어서,
    복수의 비-전도성 인쇄회로기판 상에 상기 제1 전도성 면과 상기 제2 전도성 면을 페인팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 머신에 의해 실행될 때, 그 머신으로 하여금 제 20 항의 방법을 수행하게 하는 명령어들의 집합이 수록된 머신-판독 가능한 매체의 하나의 형태인 것을 특징으로 하는 방법.
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