KR20090121838A

KR20090121838A - 기계적 가이드를 가지는 면적변화형 정전용량형 센서

Info

Publication number: KR20090121838A
Application number: KR1020080047941A
Authority: KR
Inventors: 강대실; 문원규
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2008-05-23
Filing date: 2008-05-23
Publication date: 2009-11-26
Also published as: JP2009282031A; EP2124014A1; KR100971494B1; US20090289641A1; US8242791B2

Abstract

본 발명의 면적변화형 정전용량형 센서는 전도성패턴(14)이 형성되는 고정요소(10)와, 전도성패턴(24)이 상기 고정요소(10)의 전도성패턴(14)과 대향하도록 배치되어 상기 고정요소(10)에 대해 상대적 평행이동되어 겹치는 면적을 변화시키는 이동요소(20)와, 상기 고정요소(10) 또는 이동요소(20)의 어느 하나를 다른 하나에 대해 밀착시키는 밀착력을 구동방향에 대해 수직한 방향으로 제공하는 스프링요소(30)와, 상기 고정요소(10)와 이동요소(20)사이의 전기용량의 변화에 따라 출력신호를 발생시킬 수 있도록 상기 어느 하나의 전도성패턴(14,24)에 공급되는 전원(40)과, 상기 고정요소(10)와 이동요소(20)사이의 전기용량의 변화를 검출하여 전기적 신호로 출력하도록 전원(40)이 인가되지 않는 상기 전도성패턴(14,24)에 연결되는 신호검출회로(50)와, 서로 밀착되는 각 전도성패턴사이의 갭을 유지하도록 구동방향으로 형성된 가이드 수단을 포함한다.

본 발명에 의하면, 가이드 라인에 의해 정전용량형 센서의 갭이 유지되고, 정렬오차가 보정되므로, 초정밀 대변위 정전용량형 센서를 피드백 센서로 사용하는 초정밀 포지셔너 및 이를 응용한 제품군과, 긴 행정구간을 정밀하게 제어해야 하는 시스템의 피드백 센서로도 적용가능한 효과를 가진다.

Description

기계적 가이드를 가지는 면적변화형 정전용량형 센서{Area-variable capacitive sensor having a mechanical guide}

본 발명은 기계적 가이드를 가지는 면적변화형 정전용량형 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 면적변화형 정전용량형 센서의 갭을 용이하게 유지하고 센서의 정렬 오차를 보정하도록 가이드 수단을 가지는 면적변화형 정전용량형 센서에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 면적변화형 정전용량형 센서는 미소선형변위의 측정을 위한 것으로, 두 전도성평판사이의 변위 변화에 상응하는 정전용량(capacitance)의 변화를 전기적인 신호로서 출력하는 센서이다.

이러한 면적변화형 정전용량형 센서는 두 전도성평판을 평행하도록 대향되게 위치시켰을 때, 두 평판사이의 정전용량은 두 평판사이의 매질의 유전율과 마주보는 두 평판의 면적에 비례하고, 두 평판의 간격(갭(gap))에 반비례하는 값으로 근사화된다. 즉, 두 평판사이에서 상대적 이동이 일어나 두 평판간의 간격이나 겹치는 면적이 변화함에 따라라 정전용량 또한 변화되므로, 이 현상을 변위측정의 원리로 이용하는 것이다.

따라서, 정전용량형 센서는 그 측정원리에 따라 두가지로 구분되며, 그 하나는 물체의 이동시 마주보는 두 평판사이의 수직방향으로의 갭 변화를 측정하는 것이고, 다른 하나는 물체의 이동에 따라 마주보는 판이 평행한 방향으로 움직일 때 이동된 판의 면적변화를 측정하는 것으로, 이와 관련된 사항들은 1997년 IEEE 출판사(미국 뉴욕)의 Baxter의 "capacitive sensors(용량형 센서)"의 3장에 상세히 설명되어 있다.

한편, 지금까지의 미소변위의 측정에는 변위에 따른 매우 높은 민감도를 이용할 수 있고, 비교적 단순한 구조를 가진다는 장점에 따라 주로 공간(갭)변화 측정 방식이 이용되어 왔으나, 이 방식은 변위가 커질수록 민감도가 비선형적으로 급격히 감소되어 측정가능한 변위범위가 극히 제한적이고, 기계적 설치오차에 민감하므로, 세심한 설치노력이 필요하며, 특히 구동방향(수평방향)과 측정방향(수직방향)이 일치하지 않아 발생할 수 있는 아베(abbe)오차, 코사인(cosine)오차 등에 의해 측정의 신뢰성이 저하됨과 더불어 구성어 공간활용성이 낮다는 문제점이 있었다.

이에 따라 한국특허 제10-0457275(등록일 2006.1.20, 대응미국특허 제7,347,102호)에는 접촉식 전기용량형 센서(contact-type electric capacitive displacement sensor)를 개시하고 있고, 이러한 접촉식 전기용량형 센서는 도 1에 도시된 바와 같이, 고정물체(12)상에 전도성패턴(14)이 형성되고, 그 전도성패턴(14)을 얇은 절연막(16)으로 균일하게 코팅한 고정요소(10)와, 이 고정요소(10)와 마찬가지로 이동물체(22)상에 전도성패턴(24)이 형성되고, 그 전도성패턴(24)을 얇은 절연막(26)으로 균일하게 코팅함으로서, 이 절연막(26)이 고정요소(10)의 절연막(16)과 맞닿도록 배치되어 고정요소(10)에 대해 상대적 평행이동되어 겹치는 면적을 변화시키는 이동요소(20)와, 고정요소(10)와 이동요소(20)가 항상 밀착되는 상태를 유지하도록 고정요소(10) 또는 이동요소(20)의 어느 하나를 다른 하나에 대해 밀착시키는 밀착력을 구동방향에 대해 수직한 방향으로 제공하는 스프링요소(30)와, 고정요소(10)와 이동요소(20)사이의 전기용량의 변화에 따라 출력신호를 발생시킬 수 있도록 고정요소(10) 또는 이동요소(20)의 어느 하나의 전도성패턴(14,24)에 공급되는 교류전원(40)과, 고정요소(10)와 이동요소(20)사이의 전기용량의 변화를 검출하여 전기적 신호로 출력하도록 교류전원(40)이 인가되지 않는 고정요소(10) 또는 이동요소(20)의 전도성패턴(14,24)에 연결되는 신호검출회로(50)와, 이동요소(20)를 고정요소(10)에 대해 상대적인 평행이동시켜 변위를 변화시키도록 이동요소(20)에 연결되는 구동기(A)를 포함함에 따라, 기계적 설치오차 및 구동방향과 측정방향의 불일치로 인한 오차를 줄일 수 있고, 구동방향 이외의 변위오차가 포함될 여지가 없어 신뢰성 높은 측정이 가능하며, 구동방향과 측정방향이 일치하므로, 구성시 공간 절감을 이룰 수 있고, 미소변위의 측정은 물론 넓은 범위의 변위측정도 안정적으로 가능하며, 종국적으로 전반적인 성능을 대폭 향상하였다.

상기 특허의 경우, 고정 및 이동물체(10,20)표면의 각 절연막(16,26)을 코팅한 전도성패턴(14,24)(이하, 전극)이 서로 접촉한 상태에서 평행 상대운동을 함에 따라 각 절연막(16,26)이 코팅된 만큼에 해당하는 갭(d;gap)이 생성되며, 더구나 코팅된 전도성패턴(14,24)이 파손 및 변형되지 않는 한, 상하 전극에 약간의 수직압력을 가함으로서 갭을 일정하게 유지할 수 있게 되는 것이지만, 기하학적으로 발생한 상대각도 θ와 θ만큼 회전된 방향으로 구동하게 하는 요(yaw) 방향의 아베 오차를 의미하는 "초기 정렬오차", 즉 요(yaw) 오차의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 단순히 θ만큼의 오차가 발생한 형태로 X 방향으로 구동되는 것이 아니라, 미세한 오차의 경우에도 오차가 발생한 방향으로 아베(abbe) 오차를 더불어 유발하기도 하며, 설사 직접 아베 오차를 유발하지 않는다 하더라도 이미 발생되어 있는 아베 오차의 확인이 어렵고, 구동시에는 간격 및 회전 오차가 발생하게 되는 문제가 있고, 더구나 이러한 오차를 보정하기 어렵다고 하는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로, 그 목적은 면적변화형 정전용량형 센서의 갭을 용이하게 유지하고 초기의 정렬 오차를 보정하도록 기계적 가이드를 가지는 면적변화형 정전용량형 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 면적변화형 정전용량형 센서는 고정물체상에 전도성패턴이 형성되는 고정요소와, 상기 고정요소와 마찬가지로 이동물체상에 전도성패턴이 상기 고정 요소의 전도성패턴과 대향하도록 배치되어 상기 고정요소에 대해 상대적 평행이동되어 겹치는 면적을 변화시키는 이동요소와, 상기 고정요소와 이동요소가 항상 밀착되는 상태를 유지하도록 상기 고정요소 또는 이동요소의 어느 하나를 다른 하나에 대해 밀착시키는 밀착력을 구동방향에 대해 수직한 방향으로 제공하는 스프링요소와, 상기 고정요소와 이동요소사이의 전기용량의 변화에 따라 출력신호를 발생시킬 수 있도록 상기 고정요소 또는 이동요소의 어느 하나의 전도성패턴에 공급되는 전원과, 상기 고정요소와 이동요소사이의 전기용량의 변화를 검출하여 전기적 신호로 출력하도록 상기 전원이 인가되지 않는 상기 고정요소 또는 이동요소의 전도성패턴에 연결되는 신호검출회로와, 서로 밀착되는 상기 고정요소와 이동요소 각각의 전도성패턴사이의 갭을 유지하도록 상기 구동방향으로 형성된 가이드 수단을 포함한다.

본 발명에 의하면, 상대적으로 제작이 간단하면서도 고해상도를 얻을 수 있는 정전용량형 센서 갭의 유지 및 정렬오차가 가이드 라인에 의해 보정되므로, 정전용량형 센서를 피드백 센서로 사용하는 초정밀 포지셔너 및 이를 응용한 제품군에 적용가능하며, 긴 행정구간을 정밀하게 제어해야 하는 시스템의 피드백 센서로도 적용가능한 효과를 가진다.

이하 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 더욱 상세히 설 명하기로 한다. 참고로 종래와 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 병기하고 그 상세한 설명을 생략하였다.

도 3 내지 도 7는 본 발명의 바람직한 실시예들에 따라 기계적 가이드를 가지는 면적변화형 정전용량형 센서의 구성을 개략적으로 나타내고 있다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 면적변화형 정전용량형 센서를 나타내며, 도 3a는 고정요소(10)와 이동요소(20)의 바닥면을 나타내도록 분리된 상태이고, 도 3b는 결합된 상태를 나타내는 것으로, 도시된 바와 같이 고정물체(12)상에 전도성패턴(14)이 형성되는 고정요소(10)와, 상기 고정요소(10)와 마찬가지로 이동물체(22)상에 전도성패턴(24)이 상기 고정요소(10)의 전도성패턴(14)과 대향하도록 배치되어 상기 고정요소(10)에 대해 상대적 평행이동되어 겹치는 면적을 변화시키는 이동요소(20)와, 상기 고정요소(10)와 이동요소(20)가 항상 밀착되는 상태를 유지하도록 상기 고정요소(10) 또는 이동요소(20)의 어느 하나를 다른 하나에 대해 밀착시키는 밀착력을 구동방향에 대해 수직한 방향으로 제공하는 스프링요소(30)와, 상기 고정요소(10)와 이동요소(20)사이의 전기용량의 변화에 따라 출력신호를 발생시킬 수 있도록 상기 고정요소(10) 또는 이동요소(20)의 어느 하나의 전도성패턴(14,24)에 공급되는 전원(40)과, 상기 고정요소(10)와 이동요소(20)사이의 전기용량의 변화를 검출하여 전기적 신호로 출력하도록 상기 전원(40)이 인가되지 않는 상기 고정요소(10) 또는 이동요소(20)의 전도성패턴(14,24)에 연결되는 신호검출회로(50)와, 서로 밀착되는 상기 고정요소와 이동요소 각각의 전도성패턴사이의 갭을 유지하도록 상기 구동방향으로 형성된 가이드 수단을 포함하며, 설명의 편의상 스 프링 수단(30)과, 전원(40)과, 신호검출회로(50)는 그 도시를 생략하였다.

도 3에 있어서, 가이드 수단(60)은 이동요소(20)의 중앙에서 소정 높이로 상향 돌출한 돌출부(62)와, 고정요소(10)에서 하향 돌출한 한 쌍의 가이드 돌기(64)로 이루어진다. 이때, 고정요소(10)의 전도성 패턴(14)이 가이드 돌기(64)사이의 바닥면에 형성되고, 또한 이동요소(20)의 전도성 패턴(24)은 돌출부(62)의 상면에 형성되어, 돌출부(62)가 가이드 돌기(64)사이에 끼워졌을 때, 이동요소(10)의 돌출부(62) 상면과 가이드 돌기(64)사이의 고정요소(10)의 바닥면사이에는 갭(d)이 형성된다.

이와 같이 구성된 정전용량형 센서는 가이드 돌기(64)의 사이에 돌출부(62)가 끼우는 구조이기 때문에 초기 정렬 시의 요 오차가 공정오차보다 클 수 없게 되는 바, 기계적으로 요방향의 자유도를 제한하게 되며, 또한 도 3b에 도시된 바와 같이 구동되더라도 가이드 돌기(64)에 의해 가이드되므로, 아베 오차에 의해 θ 방향으로 움직이려고 하는 힘이 구속력에 의해 방지된다.

도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 면적변화형 정전용량형 센서를 나타내며, 도 4a는 고정요소(10)와 이동요소(20)의 바닥면을 나타내도록 분리된 상태이고, 도 4b는 결합된 상태를 나타내는 것으로, 도시된 바와 같이 가이드 수단(70)은 이동요소(20)에서 소정 높이로 상향 돌출한 한 쌍의 가이드 돌기(74)를 포함하고, 도 5에 도시된 바와 같이, 고정요소(10)가 가이드 돌기(74)사이에 끼워졌을 때, 고정요소(10)의 전도성패턴(14)과 이동요소(20)의 전도성패턴(24)사이에 갭이 형성되도록 각 전도성패턴(14,24)은 얇은 절연막(16,26)에 의해 균일하게 코팅된다.

도 4의 실시예 역시 가이드 돌기(74)의 사이에 고정요소(10)를 끼우는 구조이기 때문에 초기 정렬 시의 요 오차가 공정오차보다 클 수 없게 되는 바, 기계적으로 요방향의 자유도를 제한하게 되며, 또한 도 4b에 도시된 바와 같이 구동되더라도 가이드 돌기(74)에 의해 가이드되므로, 아베 오차에 의해 θ 방향으로 움직이려고 하는 힘이 구속력에 의해 방지된다.

도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 면적변화형 정전용량형 센서를 나타내며, 도 6a는 고정요소(10)와 이동요소(20)의 바닥면을 나타내도록 분리된 상태이고, 도 6b는 결합된 상태를 나타내는 것으로, 도시된 바와 같이 가이드 수단(80)은 이동요소(20)에서 소정 높이로 상향 돌출한 한 쌍의 돌출부(82)와, 상기 고정요소(10)에서 하향 돌출한 두 쌍의 가이드 돌기(84)로 이루어진다.

도 6의 실시예에 있어서, 도 7에 도시된 바와 같이 돌출부(82)의 각각이 가이드 돌기(84)의 각각에 끼워졌을 때, 이동요소(10)의 돌출부(82)사이의 상면과 각 가이드 돌기(84)사이의 고정요소(10의 바닥면사이에 갭이 형성되도록 고정요소(10)의 전도성 패턴(14)이 각 가이드 돌기(84)사이의 바닥면에 형성되고, 이동요소(20)의 전도성 패턴(24)은 돌출부(82)사이의 상면에 형성되어, 상기 실시예들과 마찬가지로 작동한다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 면적변화형 정전용량형 센서는 상하의 고정 또는 이동요소를 이용하여 상대운동을 하는 다른 하나 요소의 요(yaw) 방향 자유도를 제한하는 것으로, 이때 제 1 및 제 3 실시예의 경우, 갭은 돌출부의 높이차이로 조절할 수 있고, 제 2 실시예의 경우 갭은 전도성 패턴을 덮은 절연막의 두께에 해 당하므로, 절연막의 두께로 조절할 수 있다.

따라서, 가이드 수단이 없는 경우, 아베오차에 의해 θ 만큼 틀어진 방향으로 구동되더라도 확인할 수 없었지만, 본 발명의 면적변화형 정전용량형 센서는 가이드 수단에 의해 θ 만큼 틀어진 방향으로 구동되려는 힘을 구속력이 발휘되어 방지할 수 있게 되며, 만약 구속력이 모자라서 방지할 수 없는 정도가 되면 가이드가 파손되게 될 것이므로 아베오차가 크게 존재한다는 것을 확인하게 된다.

이상에서 설명한 본 발명의 기계적 가이드를 가지는 면적변화형 정전용량형 센서는 하나의 바람직한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명이 상기한 실시예에 한정되지 않는 것이므로, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

도 1은 종래의 접촉식 전기용량형 센서를 나타내는 개략 구성도이고,

도 2는 정렬 오차를 설명하기 위한 개념도이고,

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 기계적 가이드를 가지는 면적변화형 정전용량형 센서의 개략 구성을 나타내는 사시도이고,

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 기계적 가이드를 가지는 면적변화형 정전용량형 센서의 개략 구성을 나타내는 사시도이고,

도 5는 도 4b의 A-A선을 따라 취한 단면도이고,

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 기계적 가이드를 가지는 면적변화형 정전용량형 센서의 개략 구성을 나타내는 사시도이고,

도 7은 도 6b의 B-B선을 따라 취한 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 고정요소 12 : 고정물체

14 : 전도성패턴 16 : 절연막

20 : 이동요소 24 : 전도성패턴

26 : 절연막 30 : 스프링요소

40 : 전원 50 : 신호검출회로

60, 70, 90 : 가이드 수단 62, 82 : 돌출부

64, 74, 84 : 가이드 돌기

Claims

면적변화형 정전용량형 센서에 있어서,

고정물체상에 전도성패턴이 형성되는 고정요소와,

이동물체상에 전도성패턴이 상기 고정요소의 전도성패턴과 대향하도록 배치되어 상기 고정요소에 대해 상대적 평행이동되어 겹치는 면적을 변화시키는 이동요소와,

상기 고정요소와 이동요소가 항상 밀착되는 상태를 유지하도록 상기 고정요소 또는 이동요소의 어느 하나를 다른 하나에 대해 밀착시키는 밀착력을 구동방향에 대해 수직한 방향으로 제공하는 스프링요소와,

상기 고정요소와 이동요소사이의 전기용량의 변화에 따라 출력신호를 발생시킬 수 있도록 상기 고정요소 또는 이동요소의 어느 하나의 전도성패턴에 공급되는 전원과,

상기 고정요소와 이동요소사이의 전기용량의 변화를 검출하여 전기적 신호로 출력하도록 상기 전원이 인가되지 않는 상기 고정요소 또는 이동요소의 전도성패턴에 연결되는 신호검출회로와,

서로 밀착되는 상기 고정요소와 이동요소 각각의 전도성패턴사이의 갭을 유지하도록 상기 구동방향으로 형성된 가이드 수단을 포함하는

기계적 가이드를 가지는 면적변화형 정전용량형 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 가이드 수단은 상기 이동요소의 중앙에서 소정 높이로 상향 돌출한 돌출부와, 상기 고정요소에서 하향 돌출한 한 쌍의 가이드 돌기로 이루어지되,

상기 돌출부가 가이드 돌기사이에 끼워졌을 때, 상기 이동요소의 돌출부 상면과 상기 가이드 돌기사이의 고정요소의 바닥면사이에 갭이 형성되도록 상기 고정요소의 전도성 패턴이 상기 가이드 돌기사이의 바닥면에, 상기 이동요소의 전도성 패턴은 상기 돌출부의 상면에 형성되는 것을 특징으로 하는

기계적 가이드를 가지는 면적변화형 정전용량형 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 가이드 수단은 상기 이동요소에서 소정 높이로 상향 돌출한 한 쌍의 가이드 돌기를 포함하고,

상기 고정요소가 상기 가이드 돌기사이에 끼워졌을 때, 상기 고정요소의 전도성패턴과 상기 이동요소의 전도성패턴사이에 갭이 형성되도록 상기 각 전도성패턴은 얇은 절연막에 의해 균일하게 코팅된 것을 특징으로 하는

기계적 가이드를 가지는 면적변화형 정전용량형 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 가이드 수단은 상기 이동요소에서 소정 높이로 상향 돌출한 한 쌍의 돌출부와, 상기 고정요소에서 하향 돌출한 두 쌍의 가이드 돌기로 이루어지되,

상기 돌출부의 각각이 가이드 돌기의 각각에 끼워졌을 때, 상기 이동요소의 돌출부사이의 상면과 상기 각 가이드 돌기사이의 고정요소의 바닥면사이에 갭이 형성되도록 상기 고정요소의 전도성 패턴이 상기 각 가이드 돌기사이의 바닥면에, 상기 이동요소의 전도성 패턴은 상기 돌출부사이의 상면에 형성되는 것을 특징으로 하는

기계적 가이드를 가지는 면적변화형 정전용량형 센서.