KR20080077169A - 탄성체, 정전용량식 힘 센서 및 정전용량식 가속도 센서 - Google Patents

Abstract

저비용화가 가능하며 변형 안정도가 높고 복원성이 뛰어나고 게다가 성형이 쉬운 탄성체(elastic body), 이 탄성체를 구비한 정전용량식 힘 센서(force sensor) 및 가속도 센서를 제공한다. 탄성체는 도전성을 가진 제1탄성부와, 이 제1탄성부보 딱딱한 판상 부재로 이루어지고 제1탄성부에 인서트 성형된 제2탄성부를 구비한다.

Description

탄성체, 정전용량식 힘 센서 및 정전용량식 가속도 센서{Strain-inducing body, capacitance-type force sensor, and capacitance-type acceleration sensor}

본 발명은 외력이 가해지면 변형되어 왜곡을 일으키는 탄성체(기외체(起歪體)), 이 탄성체(elastic body)를 이용하여 정전용량의 변화를 기초로 힘의 변화를 검출하는 정전용량식 힘 센서(force sensor), 및 이 탄성체를 이용하여 정전용량의 변화를 기초로 가속도의 변화를 검출하는 정전용량식 가속도 센서에 관한 것이다.

정전용량의 변화를 기초로 힘의 변화를 검출하는 힘 센서는 예컨대 체중계 등에 사용되고 있다. 이런 종류의 힘 센서는 조작 입력부를 버튼 타입 또는 스틱 타입으로 구성하여 휴먼 인터페이스로서 사용하는데, 예컨대 노트북의 스틱 타입의 입력장치로서 주지의 기술이다.

도 1 및 도 2는 종래의 일반적인 힘 센서의 개요를 나타내는데, 도 1a는 종래의 힘 센서의 평면도, 도 1b는 그 IB-IB선에 따른 단면도, 도 1c는 검출 전극의 평면도, 도 2a는 종래의 다른 예의 힘 센서의 평면도, 도 2b는 그 IIB- IB선에 따른 단면도, 도 2c는 검출 전극의 평면도를 각각 나타내고 있다.

이 힘 센서(2)에서는 기판(4)에 설치된 실리콘 러버 등의 절연체나 도체로 이루어지는 탄성체(6)를 구비하고, 이 탄성체(6)의 천정면부에 전극(8), 이 전극(8)에 대향하여 기판(4)측에 검출 전극(10)을 구비하고 있다. 도 1에서는 탄성체(6)를 갠트리 빔(gantry beam, 양지량)으로 하고 검출 전극(10)을 원형으로 하는 것을 도시하고 있으며, 도 2에서는 탄성체(6)를 캔틸레버 빔(cantilever beam, 편지량)으로 하고 검출 전극(10)을 직사각형으로 하는 것을 도시하고 있다. 또한, 탄성체(6)를 도체로 형성하여 전극을 구성하면, 전극(8)을 별개로 설치할 필요는 없다.

이와 같은 힘 센서에 대해 도 1에 도시된 힘 센서(2)를 갖고 설명하면, 도 3a에 나타내는 바와 같이 탄성체(6)에 힘(f)을 작용시키면 그 힘(f)에 의해 탄성체(6)가 굴곡 변형하고 그에 따라 전극간 거리(d)가 감소하며, 도 3b에 나타내는 바와 같이 전극(8)과 검출 전극(10)이 접촉하게 되고 전극간의 정전용량(C)이 증가하게 된다. 이렇게 탄성체(6)에 대한 입력(힘(f))과 출력(정전용량(C))의 관계는 도 4에 나타내는 바와 같이 완만한 곡선을 그리며 증감하게 된다. 여기서 Coffset는 도 1b에 나타내는 상태에서의 전극간 정전용량으로서 전극간 거리(d)가 변하지 않은 경우의 오프셋 출력이고, 이 오프셋 출력은 힘(f)이 가해져도 그 힘(f)이 구조체(6)가 가진 탄성을 넘어 변형시키지 않는 한 용량 변화가 생기지 않는 것, 즉 제로점 출력을 나타낸다. 그리고 이 오프셋 출력은 탄성체(6)가 가진 탄성, 복원성, 좌굴(buckling) 등에 의존한다. 이와 같은 입출력 관계는 도 2에 나타낸 힘 센서(2)에 대해서도 마찬가지다.

이와 같이 가해진 힘(f)을 정전용량(C)의 변화로 추려내는 힘 센서가 알려져 있다.

이 문헌에는 입력부의 변위량을 크게 설정한 정전용량식 센서에 대해 개시하는데, 그 구성은 평행이동 가능한 기판을 평행하게 대향설치시킴으로써 그 대향면측에 각각 전극부를 구비하고, 각 전극부가 90도 각도의 변위로 마련된 것이다.

또한, 여기에는 일 예로서 힘 센서에 대해 설명했지만 가속도 센서에 대해서도 기본적인 원리는 똑같은데, 가속도 센서에서는 정전용량의 변화를 기초로 가속도의 변화를 검출할 수 있게 되어 있다.

그런데 이와 같은 힘 센서나 가속도 센서에서는 입출력 관계의 신뢰성이 중요하고, 특히 상기 제로점 출력(오프셋 출력)의 안정도가 매우 중요하다. 즉, 조작하지 않은 경우에 출력이 제로이거나, 또는 특정의 오프셋값을 나타내며 그 값이 일정하거나 하는 것이 필요하다. 다시 말하면, 조작하지 않은 경우의 출력이 변화하거나 또는 오프셋값이 변화하면, 제로점을 특정할 수 없어 검출 장치로서의 신뢰성이 손상된다.

예컨대, 힘 센서를 이용한 포인팅 디바이스에서는, 제로점이나 오프셋값이 변화하면 조작하지 않았음에도 불구하고 아주 작은 출력(잔류 출력)의 발생에 의해 포인터가 움직이기 시작하는 등의 이상이 생긴다.

여기서, 힘 센서(도 1 또는 도 2)의 잔류 출력에 대해 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5a에 있어서, 비교적 짧은 시간에 5회의 입력(f₁, f₂, f₃, f₄, f₅)이 가해진 경우, 각 입력(f₁∼f₅)의 대소 관계는, f₂>f₁>f₃≒f₄≒f₅로서 f₂는 가장 레벨이 높 고 f₁ 및 f₂는 시간폭이 길며 이에 대해, f₃, f₄, f₅는 미소 시간의 미소 입력이다. 나아가 큰 입력 후에 미소 입력이 가해진 것을 상정하고 있다.

이와 같은 입력(f₁∼f₅)에 대해 힘 센서(2)에서 도 5b에 나타내는 바와 같이 입력에 따른 출력(C₁₁, C₁₂, C₁₃, C₁₄, C₁₅)이 얻어지는데, 이는 입력에 따른 정전용량의 변화를 나타내는 것으로 최초의 입력(f₁)에 대한 출력(C₁₁) 후 b₁ 부분에서는 입력이 없음에도 불구하고 미소한 출력이 생기고 있다. 즉, 이것이 잔류 출력이다. 또, 입력(f₂)에 의한 출력(C₁₂) 후의 b₂ 부분에는 더 큰 잔류 출력이 생기고 있다. 이 잔류 출력에 출력(C₁₃∼C₁₅)가 중첩되고 b₃ 부분 이후는 입력이 작기 때문에, 잔류 출력이 시간의 경과와 함께 감소하고 있는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그런데 이와 같은 잔류 출력은 주로 압력을 받는 탄성체(6)의 복원성에 의존하는데, 탄성체(6)에 일반적으로 사용되는 고무 등의 에라스토머는 변형 후 원형으로 완전히 복귀하지 않는 특성을 갖고 있다. 한편, 탄성체(6)를 금속 플레이트 등으로 형성할 수도 있는데, 비용이 비싸진다는 문제점이 있다.

이와 같은 종래의 문제점을 해소하는 방법으로, 예컨대 수지 플레이트 등을 실리콘 러버 상에 접착한 탄성체가 제안되고 있는데, 수지 플레이트를 확실히 접착하기 위해서는 접착면의 세정이나 접착 보조액 및 접착제의 도포 등의 번거로운 작업이 필요해진다.

이와 같은 과제에 대하여, 특원평6-314163에는 그 개시가 없고, 그 해결 수 단에 대해서도 어떤 개시나 시사도 하지 않았다.

본 발명은 저비용화가 가능하며, 변형 안정도가 높고 복원성이 뛰어나며, 게다가 성형이 쉬운 탄성체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또 본 발명은 정전용량의 변화를 기초로 힘의 변화를 검출하는 정전용량식 힘 센서나, 정전용량의 변화를 기초로 가속도의 변화를 검출하는 정전용량식 가속도 센서에 관한 것으로, 복원성이 우수한 탄성체를 사용함으로써 검출 정밀도를 높일 수 있는 정전용량식 힘 센서 및 가속도 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 탄성체는 도전성을 가진 제1탄성부와, 해당 제1탄성부보다 딱딱한 판상 부재로 이루어지고 상기한 제1탄성부에 인서트 성형된 제2탄성부를 구비한다.

이러한 구성으로 하면, 탄성체 전체를 금속 플레이트나 알루미늄의 조각 등으로 형성한 경우에 비해 비용을 삭감할 수 있다. 또한 탄성체 전체를 실리콘 러버 등으로 형성한 경우에 비해 변형 안정도가 높고 복원성이 뛰어나다. 나아가, 실리콘 러버에 금속 플레이트를 붙여서 구성된 종래의 탄성체에 비해 접착면의 세정이나 접착 보조액 및 접착제의 도포 등의 접착에 따른 번거로운 작업이 불필요하여 성형이 쉽다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 정전용량식 힘 센서 및 정전용량식 가속도 센서는 상술한 탄성체를 구비한 구성이다. 이런 구성으로 하면, 변형 안정도가 높고 복원성이 뛰어난 탄성체를 구비하고 있기 때문에, 탄성체에 대한 외력의 변화를 높은 정밀도로 정전용량의 변화로 변환할 수 있고 센서의 검출 정밀도를 높일 수 있다. 또 성형이 쉬우며 저비용화가 가능한 탄성체를 구비하고 있기 때문에, 검출 정밀도가 높은 센서를 저렴하게 제공할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서는, 상기 탄성체에 대향하여 마련된 검출 전극을 더 구비하고, 해당 검출 전극에서의 상기 탄성체측 표면에는 균일한 두께를 가진 절연성 필름이 설치되어 있는 정전용량식 힘 센서 및 정전용량식 가속도 센서일 수도 있다. 이런 구성으로 하면, 전극간의 절연층의 두께를 일정하게 할 수 있고, 각각의 센서에서의 정전용량의 분산(검출 감도의 분산)을 적게 할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서는, 상기 검출 전극이 형성된 기판과, 상기 탄성체를 상기 검출 전극과 대향하는 위치에 고정하기 위한 케이스를 더 구비하고, 해당 케이스는 상기 탄성체를 내부에 수용한 상태에서 상기 기판에 용접으로 고정되어 있는 정전용량식 힘 센서일 수도 있다. 이런 구성으로 하면, 케이스와 기판을 단단히 고정할 수 있으며, 탄성체와 검출 전극의 거리(전극간 거리)를 일정하게 유지할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서는, 상기 검출 전극이 형성된 기판과, 상기 탄성체를 상기 검출 전극과 대향하는 위치에 고정하기 위한 케이스를 더 구비하고, 상기 케이스는 상기 탄성체에 인서트 성형되어 있는 정전용량식 힘 센서일 수도 있다. 이런 구성으로 하면, 탄성체의 기판에의 설치가 쉬워지는 동시에, 장치의 소형화를 도모할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 관한 탄성체는 저비용화가 가능하며, 변형 안정도가 높고 복원성이 뛰어나며, 게다가 성형이 쉽다는 뛰어난 효과를 갖는다.

또 본 발명에 관한 정전용량식의 힘 센서 및 가속도 센서는 검출 정밀도를 높일 수 있고, 낮은 가격으로 제조할 수 있다는 뛰어난 효과를 갖는다.

도 1a는 종래의 힘 센서의 평면도, 도 1b는 상기 힘 센서의 IB-IB선에 따른 단면도, 도 1c는 상기 힘 센서의 검출 전극의 평면도이다.

도 2a는 종래의 다른 힘 센서의 평면도, 도 2b는 상기 힘 센서의 IIB-IIB선에 따른 단면도, 도 2c는 상기 힘 센서의 검출 전극의 평면도이다.

도 3은 입력에 대한 힘 센서의 변형 상태를 나타내는 도면으로, 도 3a는 변형 초기의 상태를 한 도면, 도 3b는 변형에 의해 전극과 검출 전극이 접촉한 상태를 나타내는 도면이다.

도 4는 상기 힘 센서의 입출력 관계를 나타내는 도면이다.

도 5는 상기 힘 센서의 입출력 관계를 나타내는 도면으로, 도 5a는 비교적 짧은 시간에 5회의 입력이 가해진 예를 나타낸 도면, 도 5b는 잔류 출력을 나타낸 도면이다.

도 6a는 본 발명의 제1실시형태에 관한 힘 센서의 평면도, 도 6b는 상기 힘 센서의 VIB-VIB선에 따른 단면도, 도 6c는 상기 힘 센서의 검출 전극의 평면도이다.

도 7은 상기 힘 센서의 변형을 나타내는 도면이다.

도 8은 상기 힘 센서의 입출력 관계를 나타내는 도면이다.

도 9a는 상기 힘 센서에서의 제2센서부의 입출력 관계를 나타내는 도면, 도 9b는 상기 도 9A에 나타내는 입출력 관계 일부를 확대하여 나타낸 도면이다

도 10은 본 발명의 제1실시형태에 관한 힘 센서에 다른 케이스를 적용한 예를 나타낸 단면도이다.

도 11a는 본 발명의 제2실시형태에 관한 가속도 센서의 외관 사시도, 도 11b는 상기 가속도 센서의 XIB-XIB선에 따른 단면도이다.

도 12a는 본 발명의 제3실시형태에 관한 가속도 센서의 외관 사시도, 도 12b는 상기 가속도 센서의 XIIB-XIIB선에 따른 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다.

제1실시형태

본 발명의 제1실시형태에 대해, 도 6을 참조하여 설명한다. 도 6은 정전용량식 힘 센서(이하, 단순히「힘 센서」라고 함)를 나타내는 것으로, 도 6a는 그 평면도, 도 6b는 도 6a의 VIB- VIB선에 따른 단면도, 도 6c는 검출 전극의 평면도이다.

이 힘 센서(20)는 기판(22)의 표면에 외력이 가해지면, 변형하여 왜곡을 일으키는 탄성체(24)를 구비하고 있다.

이 탄성체(24)는 도전성을 가진 제1탄성부(26)와, 이 제1탄성부(26)보다 딱딱한 판상 부재로 이루어지고 제1탄성부(26)에 인서트 성형된 제2탄성부(28)를 구비한다.

제1탄성부(26)는 본 실시형태에서는, 상기 도 6b에서의 상하 방향으로 굴곡 가능한 원통 모양의 지지부(26A)와, 이 지지부(26A)와 일체로 형성된 평판 모양의 입력부(26B)를 구비하고, 입력부(26B)의 내면의 중앙부에는 기둥 모양의 탄성체 볼록부(30)가, 또 이 탄성체 볼록부(30)의 주위에는 원고리 모양의 탄성체 오목부(32)가 형성되어 있다.

또, 이 제1탄성부(26)는 본 실시형태에서는 도전성 실리콘 러버로 형성되어 있다. 물론 본 발명에 관한 「제1탄성부」의 재료는 본 실시형태에서의 도전성 실리콘 러버에 한정되는 것이 아니며, 도전성을 가지며 또한 외력이 가해지면 변형하여 왜곡을 일으키는 재료를 적용하면 된다. 따라서 예컨대 제1탄성부(26)에는 도전성 에라스토머 등의 도전성을 가진 수지나 고무를 적용할 수 있고, 또한 비도전성 실리콘 러버나 에라스토머 등의 재료에 도전성 재료를 인쇄 또는 스퍼터링하여 제1탄성부(26)를 형성할 수도 있다.

한편, 제2탄성부(28)는 본 실시형태에서는, 원고리 모양의 금속 플레이트로 구성되어 있다. 또한, 본 발명에 관한 「제2탄성부」의 재료는 본 실시형태에서의 금속에 한정되는 것이 아니며, 제1탄성부(26)보다 딱딱한 부재이면 된다. 따라서, 예컨대, 제2탄성부(28)에는 수지로 성형된 수지 플레이트 등을 적용할 수도 있다. 또한 본 발명에 관한 「제2탄성부」의 형상도 본 실시형태에서의 원고리 모양에 한정되는 것은 아니며, 판상 부재이면 된다. 따라서 예컨대 제2탄성부(28)의 형상은 원판 모양이나 다각형상일 수도 있고, 또 평판뿐만 아니라, 구부림(리브, rib)을 가진 판상체일 수도 있다.

또, 이 제2탄성부(28)는 상기 도 6b에 도시되는 바와 같이 평판상의 입력 부(26B)의 두께 방향의 거의 중앙 위치에, 원고리 모양의 탄성체 오목부(32)를 따르듯이 인서트 성형되어 있다. 제2탄성부(28)의 인서트 성형 방법은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예컨대, 이하의 (1)∼(3)의 3가지 방법을 생각할 수 있다.

(1) 원고리 모양의 제2탄성부(28)의 중앙 개구부를 금형의 상형 및 하형 중 어느 한쪽에 마련된 볼록부 삽입하여 위치결정하는 동시에, 상형 및 하형의 다른 쪽에서 제2탄성부(28)의 원주 방향의 바깥쪽을 지지하고, 제2탄성부(28)을 금형의 캐비티 중앙 근처에 고정한다. 그리고 예컨대 도전성 실리콘을 제1탄성부(26)의 재료로서 금형의 캐비티 내(제2탄성부(28)의 주위 전체)에 주입·경화시켜서 제2탄성부(28)를 제1탄성부(26)에 인서트 성형한다.

(2) 제2탄성부(28)를 원판 형상으로 하고, 여러 위치결정 구멍을 원주 방향으로 거의등간격으로 형성한다. 그리고, 제2탄성부(28)의 위치결정 구멍을 상형 및 하형의 대향면에 마련된 여러 고정 핀에 삽입하여 위치결정하고, 제2탄성부(28)를 금형의 캐비티 중앙 근처에 고정한다. 그리고, 상기 (1)과 같이 예컨대 도전성 실리콘을 제1탄성부(26)의 재료로서 금형의 캐비티내에 주입·경화시키고, 제2탄성부(28)를 제1탄성부(26)에 인서트 성형한다. 이 방법에 의하면, 제2탄성부(28)를 정밀도 있게 위치결정하는 것이 가능해진다.

(3) 제2탄성부(28)의 한쪽 면을 제1탄성부(26)로 덮도록 성형한 후, 전체를 뒤집어 제2탄성부(28)의 다른 쪽 면에 제1탄성부(26)를 성형하고, 제2탄성부(28)를 제1탄성부(26)에 인서트 성형한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 관한 탄성체(24)에 의하면, 도전성을 가진 제1탄성부(26)와, 이 제1탄성부(26)보다 딱딱한 판상의 부재로 이루어지고 제1탄성부(26)에 인서트 성형된 제2탄성부(28)를 구비하기 때문에, 탄성체 전체를 금속 플레이트나 알루미늄의 조각 등으로 형성한 경우에 비해 비용을 절감할 수 있다. 또 탄성체 전체를 실리콘 러버 등으로 형성한 경우에 비해 변형 안정도가 높고 복원성이 뛰어나다. 나아가, 실리콘 러버에 금속 플레이트를 붙여서 구성된 종래의 탄성체에 비해, 접착면의 세정이나 접착 보조액 및 접착제의 도포 등의 접착에 따른 번거로운 작업이 불필요하여 성형이 쉽다.

또, 본 실시형태에 관한 힘 센서(20)에 의하면, 변형 안정도가 높고 복원성이 우수한 탄성체(24)를 구비하고 있기 때문에, 탄성체(24)에 대한 외력의 변화를 높은 정밀도로 정전용량의 변화로 변환할 수 있고, 힘 센서(20)의 검출 정밀도를 높일 수 있다. 또 성형이 쉽고 저비용화가 가능한 탄성체(24)를 구비하고 있기 때문에, 검출 정밀도가 높은 힘 센서(20)를 저렴하게 제공할 수 있다.

힘 센서(20)의 기판(22)에는 검출 전극으로서 원고리 모양의 검출 전극(34)이 설치되어 있고, 이 검출 전극(34)과 이에 대향하는 탄성체 오목부(32)의 부분에 제1센서부(36)(이하, 단순히「센서부(36)」라고 부르는 경우가 있다)가 배치되어 있다. 이 센서부(36)는 탄성체 오목부(32) 및 검출 전극(34)의 대향 면적(S₁)를 일정하게 하면, 전극간 거리(d₁)가 힘(f)을 받아 변화함으로써 힘(f)에 따른 정전용량(C₁)을 출력하는 구성이다. 또한, 본 실시형태에서는, 탄성체 오목부(32) 및 검출 전극(34)을 원고리 모양으로 하고 있지만, 직사각형상으로 할 수도 있다.

또, 검출 전극(34)의 내측 부분에는 절연 간격(38)을 마련하여 제2검출 전극으로서 원형 검출 전극(40)이 설치되어 있다. 이 검출 전극(40)과 이에 대향하는 탄성체 볼록부(30) 부분에서 제2센서부(44)(이하, 단순히「센서부(44)」라고 부르는 경우가 있다)가 배치되어 있다. 이 센서부(44)는 탄성체 볼록부(30) 및 검출 전극(40)의 대향 면적(S2)을 일정하게 하면, 전극간 거리(d₂)가 힘(f)를 받아 변화함으로써 힘(f)에 따른 정전용량(C₂)을 출력하는 구성이다. 또한, 센서부(44)는 센서부(36)의 전극간 거리(d₁)에 비교하여 전극간 거리(d₂)가 탄성체 볼록부 부분만큼 작아져 있다(d₁>d₂). 또한, 본 실시형태에서는 탄성체 볼록부(30) 및 검출 전극(40)을 원형으로 하고 있는데, 직사각형상으로 할 수도 있다.

이러한 구성으로 하면, 힘 센서(20)의 탄성체(24)의 입력부(26B)에 손가락 등으로 힘(f)을 가하면, 탄성체(24)는 그 힘(f)에 따라 변형하고 예컨대 도 7에 나타내는 바와 같이 입력부(26B)는 만곡하는 동시에 지지부(26A)도 만곡하고, 검출 전극(34)에는 탄성체 오목부(32)가 근접하며, 탄성체 볼록부(30)는 검출 전극(40)에 근접한 동시에 밀착한다. 이 경우, 탄성체 볼록부(30)와 검출 전극(40)의 간격이 작기 때문에, 입력부(26B)의 변위 개시 직후에 탄성체 볼록부(30)는 검출 전극(40)에 접촉하게 된다. 이와 같은 변위량에 대해 센서부(36)에는 제1센서 출력으로서 대향 면적(S₁) 및 전극간 거리(d₁)에 따른 정전용량(C₁), 센서부(44)에는 제2센서 출력으로서 대향 면적(S₂) 및 전극간 거리(d₂)에 따른 정전용량(C₂)를 추려낼 수 있다.

여기서, 센서부(36)의 입출력 관계는 도 8에 나타내는 바와 같이, 입력(f)에 대해 완만한 정전용량(C₁)의 변화로 나타낸다. 이 경우, 오프셋 출력(Coffset)은 입력부(26B)가 변형하기 전의 센서부(36)의 출력이다.

이에 대해, 센서부(44) 측의 입출력 관계는 검출 전극(40)에 탄성체 볼록부(30)가 접촉하는 점에서, 도 9a에 나타내는 바와 같이 작은 입력 범위에서 출력 변화를 일으키고 있으며 입력부(26B)의 변위 개시 직후에 포화한다. 도 9a에 나타내는 입출력 관계를 확대하여 나타내면, 도 9b에 나타내는 바와 같이, 센서부(44)는 센서부(36)보다 작은 입력으로 출력에 포화를 일으키고 있어, 센서부(44)에서는 힘(f)의 미소 부분만의 검출을 할 수 있다. 즉, 센서부(44)의 출력은 힘 센서(20)의 제로점 부근의 출력을 추려낼 수 있다.

또, 기판(22)에서의 탄성체(24) 측의 표면 전체에는, 상기 도 6a에 도시되는 바와 같이, 균일한 두께를 가진 절연성 필름(48)이 부착되어 있다. 또한, 상기 도면에서는, 설명의 편의상 절연성 필름(48)의 두께를 과장하여 나타내고 있다.

이런 구성으로 하면, 전극간의 절연층의 두께를 일정하게 할 수 있고, 개개의 센서에서의 정전용량의 분산(검출 감도의 분산)을 적게 할 수 있다.

통상 센서에서는 검출 전극이 노출되면 접촉에 의한 합선 등이 발생할 우려가 있기 때문에, 검출 전극 위에 절연체를 도포한다. 따라서, 검출 전극과 이에 대향하는 전극 사이에는 공기와 절연체로 이루어지는 층(절연층)이 존재하게 되는데, 공기와 절연층은 각각 유전율이 다르기 때문에, 절연층의 두께에 불규칙이 있으면 전극 사이에 축적되는 정전기의 양이 센서에 의해 불규칙하게 분포된다는 문제점이 있다. 본 발명의 발명자는 이런 종래의 문제를 해결하기 위해 균일한 두께를 가진 절연성 필름을 이용하여 절연층의 두께를 균일화하는 것을 발견했다.

또한, 본 실시형태에 있어서는, 절연성 필름(48)을 기판(22)의 표면 전체에 붙였는데, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 절연성 필름(48)은 적어도 검출 전극에서의 탄성체측의 표면을 덮도록 설치되어 있으면 된다. 따라서, 예컨대 절연성 필름(48)은 검출 전극(34, 40)에서의 탄성체(24) 측의 표면에만 붙일 수도 있다. 또한, 검출 전극(34, 40)의 표면을 제외하고 그 주위에 양면 테이프을 붙여 절연성 필름(48)을 고정하면, 검출 전극(34, 40)의 윗 쪽에는 절연성 필름(48)만 설치되는 구조가 되기 때문에 개개의 센서에서의 정전용량의 불규칙을 더욱 작게 할 수 있다. 또 절연성 필름(48)의 부착 방법도 여러 가지 방법을 생각할 수 있는데, 절연성 필름(48)에 균일한 두께의 양면 테이프를 붙여두어도 되고, 또 기판(22)의 표면에 균일한 두께의 양면 테이프를 붙여 두고 그 양면 테이프에 절연성 필름(48)을 고정할 수도 있다.

또, 힘 센서(20)는 탄성체(24)를 검출 전극(34, 40)과 대향하는 위치에 고정하기 위한 케이스(50)를 구비하고 있고, 이 케이스(50)는 탄성체(24)를 내부에 수용한 상태에서 기판(22)에 용접으로 고정되어 있다.

이런 구성에 의하면, 케이스(50)와 기판(22)을 단단히 고정할 수 있고, 탄성체(24)와 검출 전극(34, 40)의 거리(전극간 거리)를 일정하게 유지할 수 있다. 다 른 고정 방법으로서 접착을 생각할 수 있는데, 용접에 비해 강도가 낮고, 기판(22)에서의 납땜 작업시 열을 받아 강도가 더욱 저하될 우려가 있다. 또 케이스(50)와 기판(22)을 납땜하는 것도 생각할 수 있는데, 기판(22)이 납땜 작업시 열을 받아 변형하거나, 기판(22)의 패턴이 벗겨져서 떨어질 우려가 있다. 나아가, 케이스(50)를 기판(22)에 기계적으로 조이는 것도 생각할 수 있는데, 기판(22)에 쓸데없는 스트레스가 가해져서 이 스트레스에 의한 변형으로 센서의 검출 오차가 증대될 우려가 있다.

한편, 본 실시형태와 같이 용접에 의해 케이스(50)와 기판(22)을 고정하면, 케이스(50)의 일부와 기판(22)의 패턴이 용합하여 양자를 확실히 고정할 수 있게 된다. 또한,용접은 종래 주지의 방법을 채용할 수 있는데, 예컨대 레이저 용접, 저항 용접, 아크 용접 등을 적용할 수 있다.

또한, 본 발명에 관한 「케이스」는 본 실시형태에 관한 케이스(50)의 형상에 한정되는 것이 아니라, 예컨대, 도 10에 도시되는 케이스(52)와 같이, 탄성체(24)의 지지부(26A)에 미리 인서트 성형할 수도 있다. 이 경우, 탄성체(24)의 기판(22)에의 설치가 쉬워지는 동시에, 장치의 소형화를 도모할 수 있다.

제2실시형태

본 발명의 제2실시형태에 대해 도 11을 참조하여 설명한다. 도 11은 정전용량식 가속도 센서(이하, 단순히「가속도 센서」라고 함)를 나타내는데, 도 11a는 그 외관 사시도, 도 11b는 도 11a의 XIB-XIB선에 따른 단면도이다.

이 가속도 센서(60)는 기판(62)의 표면에 외력이 가해지면 변형하여 왜곡을 일으키는 탄성체(64)가 구비되어 있다.

이 탄성체(64)는 도전성을 가진 제1탄성부(66)와, 이 제1탄성부(66)보다 딱딱한 판상 부재로 이루어지고 제1탄성부(66)에 인서트 성형된 제2탄성부(68)를 구비한다.

제1탄성부(66)는 본 실시형태에서는 기판(62) 상에 설치된 정육면체 형상의 기부(66A)와, 이 기부(66A)의 중앙부 근처를 기단으로 하여 거의 수평 방향으로 연장된 판상의 지지부(66B)와, 이들 기부(66A) 및 지지부(66B)에 의해 편지 지지된 정육면체 형상의 중량부(66C)를 구비한다. 이 제1탄성부(66)는 본 실시형태에서는 도전성 실리콘 러버에 의해 형성되어 있는데, 상술한 바와 같이 본 발명에 관한 「제1탄성부」는 도전성 실리콘 러버에 한정되는 것이 아니다.

한편, 제2탄성부(68)는 본 실시형태에서는 판상의 금속 플레이트에 의해 구성되어 있고, 제1탄성부(66)의 지지부(66B)의 두께 방향의 거의 중앙 위치에 기부(66A), 지지부(66B), 및 중량부(66C)에 걸쳐 인서트 성형되어 있다. 또한, 상술한 바와 같이 본 발명에 관한 「제2탄성부」는 판상의 금속 플레이트에 한정되는 것이 아니다.

이상 설명한 바와 같이 본 실시형태에 관한 탄성체(64)에 의하면, 도전성을 가진 제1탄성부(66)와, 이 제1탄성부(66)보다 딱딱한 판상 부재로 이루어지고 제1탄성부(66)에 인서트 성형된 제2탄성부(68)를 구비하기 때문에, 탄성체 전체를 금속 플레이트나 알루미늄 조각 등으로 형성한 경우에 비해 비용을 절감할 수 있다. 또 탄성체 전체를 실리콘 러버 등으로 형성한 경우에 비해 변형 안정도가 높고 복 원성이 뛰어나다. 나아가, 실리콘 러버에 금속 플레이트를 붙여 구성된 종래의 탄성체에 비해, 접착면의 세정이나 접착 보조액 및 접착제의 도포 등의 접착에 따른 번거로운 작업이 불필요하여 성형이 쉽다.

또한 본 실시형태에 관한 가속도 센서(60)에 의하면, 변형 안정도가 높고 복원성이 우수한 탄성체(64)를 구비하고 있기 때문에, 탄성체(64)에 대한 외력의 변화를 높은 정밀도로 정전용량의 변화로 변환할 수 있고, 가속도 센서(60)의 검출 정밀도를 높일 수 있다. 또 성형이 쉽고 저비용화가 가능한 탄성체(64)를 구비하고 있기 때문에, 검출 정밀도가 높은 가속도 센서(60)를 저렴하게 제공할 수 있다.

가속도 센서(60)의 기판(62)에는 검출 전극으로서 직사각형의 검출 전극(70)이 설치되어 있고, 이 검출 전극(70)과, 이에 대향하는 중량부(66C) 부분에서 센서부(72)가 구성되어 있다. 이 센서부(72)는 중량부(66C) 및 검출 전극(70)의 대향 면적을 일정하게 하면, 중량부(66C)가 도 11b의 상하 방향(화살표 A방향)의 가속도를 받아 중량부(66C)와 검출 전극(70)의 전극간 거리가 변화함으로써 가속도에 따른 정전용량을 출력하는 구성이다. 또한, 본 실시형태에서는 중량부(66C)의 하면 및 검출 전극(70)을 직사각형으로 있는데, 원형으로 할 수도 있다.

또, 검출 전극(70)에서의 탄성체(64) 측의 표면에는 균일한 두께를 가진 절연성 필름(74)(도 11b에만 도시함)이 붙여져 있다. 또한, 동도면에 있어서는, 설명 형편상 절연성 필름(74)의 두께를 과장하여 나타내고 있다.

이러한 구성으로 하면, 전극간의 절연층의 두께를 일정하게 할 수 있고, 개개의 센서에서의 정전용량의 불규칙(검출 감도의 불규칙)을 작게 할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 관한 가속도 센서(60)와 동일한 구성으로, 중량 센서를 구성할 수도 있고, 이 경우, 중량부(66C) 상에 측정물을 얹음으로써 중량부(66C)가 도 11B의 아래방향의 힘을 받아 중량부(66C)와 검출 전극(70)의 전극간 거리가 변화함으로써 측정물의 중량에 따른 정전용량을 출력하는 구성이 된다.

제3실시형태

본 발명의 제3실시형태에 대해 도 12를 참조하여 설명한다. 도 12는 가속도 센서를 나타내고, 도 12a는 그 외관 사시도, 도 12b는 도 12a의 XIIB- XIIB선에 따른 단면도이다.

이 가속도 센서(80)는 상술한 제2실시형태에 관한 탄성체(64)를 축심 둘레로 90도 회전시켜 기판(62) 상에 부착한 것이다.

가속도 센서(80)의 기판(62)에는 검출 전극으로서 직사각형의 2개의 검출 전극(82, 84)이 설치되어 있고, 이 검출 전극(82, 84)과, 이에 대향하는 중량부(66C) 부분에 센서부(86)가 구성되어 있다. 이 센서부(86)는 중량부(66C)가 도 12b의 상하 방향(화살표 B방향)의 가속도를 받아 중량부(66C)와 검출 전극(82, 84)의 대향 면적이 변화함으로써 가속도에 따른 정전용량을 출력하는 구성이다. 또한, 본 실시형태에서는 중량부(66C)의 하면 및 검출 전극(82, 84)을 직사각형으로 하고 있는데, 원형으로 할 수도 있다.

본 실시형태에 관한 가속도 센서(80)에 의하면, 변형 안정도가 높고 복원성이 우수한 탄성체(64)를 구비하고 있기 때문에, 탄성체(64)에 대한 외력의 변화를 높은 정밀도로 정전용량의 변화로 변환할 수 있고 가속도 센서(80)의 검출 정밀도 를 높일 수 있다. 또한, 성형이 쉽고 저비용화가 가능한 탄성체(64)를 구비하고 있기 때문에, 검출 정밀도가 높은 가속도 센서(80)를 저렴하게 제공할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 관한 가속도 센서(80)에서는 1차원의 가속도 변화를 검출할 수 있는데, 상기 가속도 센서(60)와의 조합에 의해 2차원 또는 3차원의 가속도의 변화를 검출하는 것이 가능하다. 이와 같은 가속도 센서는, 예컨대 휴대 전화 등에 탑재할 수 있고, 가속도의 변화에 기초하여 낙하를 검출하고 휴대 전화에 탑재된 하드 디스크의 헤드의 파손을 방지하거나 GPS에서의 위치정보를 보정하는 센서로서도 이용할 수 있다.

본 발명에 관한 탄성체는 각종 센서에 적용할 수 있는데, 특히, 정전용량의 변화에 기초하여 힘의 변화를 검출하는 힘 센서, 및 정전용량의 변화에 기초하여 가속도의 변화를 검출하는 가속도 센서에 적합하다.

Claims (7)

1. 도전성을 가진 제1탄성부와,

   상기 제1탄성부보다 딱딱한 판상 부재로 이루어지고 상기 제1탄성부에 인서트 성형된 제2탄성부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 탄성체.
2. 정전용량의 변화에 기초하여 힘의 변화를 검출하는 정전용량식 힘 센서로, 제1항에 의한 탄성체를 구비한 것을 특징으로 하는 정전용량식 힘 센서.
3. 제2항에 있어서,

   상기 탄성체에 대향하여 설치된 검출 전극을 더 구비하고,

   상기 검출 전극에서의 상기 탄성체측의 표면에 균일한 두께를 가진 절연성 필름이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량식 힘 센서.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 검출 전극이 형성된 기판과,

   상기 탄성체를 상기 검출 전극과 대향하는 위치에 고정하기 위한 케이스를 더 구비하고,

   상기 케이스는 상기 탄성체를 내부에 수용한 상태에서 상기 기판에 용접으로 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량식 힘 센서.
5. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 검출 전극이 형성된 기판과,

   상기 탄성체를 상기 검출 전극과 대항하는 위치에 고정하기 위한 케이스를 더 구비하고,

   상기 케이스는 상기 탄성체에 인서트 성형되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량식 힘 센서.
6. 정전용량의 변화에 기초하여 가속도의 변화를 검출하는 정전용량식 가속도 센서로, 제1항에 의한 탄성체를 구비한 것을 특징으로 하는 정전용량식 가속도 센서.
7. 제6항에 있어서,

   상기 탄성체에 대향하여 설치된 검출 전극을 더 구비하고,

   상기 검출 전극에서의 상기 탄성체측의 표면에 균일한 두께를 가진 절연성 필름이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량식 가속도 센서.

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