KR20130141087A - 기판형 변형 측정 센서 및 그 기판 몸체 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 기판형 변형 측정 센서 및 그 기판 몸체는, 중앙에 관통된 공간을 가지는 프레임과 해당 관통된 공간에 위치하여 프레임에 양단이 연결되며 서로 이격되어 나란히 형성된 복수의 빔을 가지는 기판 몸체, 및 빔에 부착되어 변형률을 측정하는 스트레인 게이지를 포함하는 것을 특징으로 하며, 이를 통해, 별도의 변형 구조물을 구비할 필요 없이 기판 몸체 자체를 변형 구조물로 삼아 변형 정도를 측정할 수 있으므로 그 제작에 따른 비용 및 시간이 절감된다.

Description

기판형 변형 측정 센서 및 그 기판 몸체 {Board type strain gauge sensor and board body thereof}
본 발명은 변형 측정 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 지점에서의 압력 등에 따른 변형을 보다 정밀하게 측정하면서 그 제작 방법이 간소화된 변형 측정 센서 및 그 구조물에 관한 것이다.
압력 센서는 특정 시스템에서 압력을 측정하는 소자로서 공업계측, 자동제어, 의료, 자동차 엔지니어, 환경제어, 전기용품 등 그 용도가 다양하고, 폭넓게 사용되는 센서이다. 압력 센서의 측정원리는 변위, 변형 등에 따른 전기적 변화를 측정하는 것으로 다양한 형태의 센서가 실용화되고 있다.
압력 센서의 유형에는 부로돈관이나 벨로우즈를 사용한 기계식 압력센서와, 스트레인 게이지를 사용한 압저항형 전자식 압력센서나, 두 개 물체 간의 정전용량의 변위를 측정하는 용량형의 전자식 압력센서 등이 있다. 특히 스트레인 게이지를 사용한 압저항형 센서는 성능이나 가격의 측면에서 우위에 있어 가장 많이 사용되고 있는 추세이다.
스트레인은 변형도 또는 변형률을 나타내는 용어로서, 어느 물체가 인장 또는 압축을 받을 때 원래의 길이에서 늘어나거나 줄어든 길이를 비율로 표시한 것이고, 토목공학, 기계공학, 항공공학, 전자공학 등 구조물이나 기계요소의 해석을 다루는 분야에서 구조물이나 기계요소가 외부의 힘을 받아 변형이 발생할 때 사용하는 용어이다. 스트레인 게이지는 이러한 스트레인에 의하여 구조물이 변형되는 상태와 그 양을 측정하기 위하여 구조물의 표면에 부착하는 게이지로서, 구조물이 변형되는 양을 저항으로 변화하여 측정하는 전기식 스트레인 게이지와 변형되는 구조물의 거리변화를 기계적으로 측정하는 기계식 스트레인 게이지가 있다.
전기식 스트레인 게이지의 소자는 저항 변화가 큰 금속을 사용하는데, 저항 변화가 큰 금속을 사용하는 경우 절연체 위에 와이어 또는 포일 형태로 저항선을 만들어서 저항을 측정한다.
이러한 스트레인 게이지가 구비된 센서는 기계 등의 고장이나 안전 사고를 방지하고, 사용자로 하여금 돌발 상황을 신속하게 인식하여 대응할 수 있도록 한다. 그리고 이러한 센서는 그 부피가 작을수록 다른 구동 파트에 영향을 안 미치고 공간 효율을 좋게 할 수 있다.
이에 소형이면서도 그 제작이 간편하고 압력 등에 따른 변형을 정밀하게 감지할 수 있는 센서가 요청된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 압력에 따른 변형을 정밀하게 측정할 수 있으면서도, 그 제작이 용이하고 크기가 상대적으로 소형인 기판형 변형 측정 센서 및 그 기판 몸체를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기판형 변형 측정 센서는, 중앙에 관통된 공간을 가지는 프레임과, 상기 관통된 공간에 위치하여 상기 프레임에 양단이 연결되며 서로 이격되어 나란히 형성된 복수의 빔을 가지는 기판 몸체, 및 상기 빔에 부착되어 상기 빔의 변형률을 측정하는 스트레인 게이지를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 기판형 변형 측정 센서에 있어서, 상기 복수의 빔은 M x N 행렬(M, N은 자연수)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 기판형 변형 측정 센서에 있어서, 상기 기판 몸체는 연성 또는 경성 소재로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 기판형 변형 측정 센서에 있어서, 상기 빔은 중앙이 단절되어, 일단이 상기 프레임에 연결된 두 개의 서브 빔을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 기판형 변형 측정 센서에 있어서, 상기 빔은 각기둥, 원기둥, 끝단이 절단된 각뿔, 양단이 다른 부분보다 두께가 얇은 기둥, 양단이 다른 부분보다 두께가 굵은 기둥 및 길이 방향으로 하나 이상의 구배 형상을 가지는 기둥 중 하나 이상의 형상을 한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 기판형 변형 측정 센서는, 상기 기판 몸체와 일체의 기판에 위치하거나 또는 별도의 기판에 위치하여 상기 스트레인 게이지가 측정한 변형률에 따른 신호를 처리하는 신호 처리 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 기판형 변형 측정 센서에 있어서, 상기 신호 처리 모듈은, 상기 스트레인 게이지로부터 전달된 신호를 증폭하는 증폭부, 상기 증폭부가 전달한 신호를 디지털화하는 신호 처리부, 및 상기 반도체형 스트레인 게이지들의 오프셋을 조정하는 오프셋 조정부 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기판형 변형 측정 센서의 기판 몸체는, 중앙에 관통된 공간을 가지는 기판 형태의 프레임, 및 상기 관통된 공간에 위치하여 상기 프레임에 지지빔 형태로 양단이 연결되며, 이격되어 나란히 형성되어 변형률 측정을 위한 스트레인 게이지가 부착되는 복수의 빔을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 기판형 변형 측정 센서 및 그 기판 몸체에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫째, 별도의 변형 구조물을 구비할 필요 없이 기판 몸체 자체를 변형 구조물로 삼아 변형 정도를 측정할 수 있으므로 그 제작에 따른 비용 및 시간이 절감된다.
둘째, 두께가 얇은 기판 몸체에 스트레인 게이지를 직접 부착함으로써 그 크기가 상대적으로 작아지는 이점이 있다.
셋째, 평면의 기판 몸체에 관통된 공간을 형성하고, 이에 따라 형성되는 빔에 스트레인 게이지를 부착함으로써, 압력에 따른 변형률이 커지고 이에 따른 변형 측정이 용이하다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 기판형 변형 측정 센서의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 기판형 변형 측정 센서의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 기판형 변형 측정 센서의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 기판형 변형 측정 센서의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제5실시예에 따른 기판형 변형 측정 센서의 구성도이다.
도 6은 제4실시예 또는 제5실시예에 따른 신호 처리 모듈의 구성도이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 기판형 변형 측정 센서(100)의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 제1실시예의 변형 측정 센서(100)는 프레임(110), 복수의 빔(120) 및 스트레인 게이지(130)를 포함한다.
프레임(110)은 중앙에 관통된 공간을 가지고 복수의 빔(120)을 감싸는 형태를 가진다.
복수의 빔(120)은 프레임(110)의 관통된 형상에 지지빔 형태로 형성된다. 이때, 복수의 빔(120) 각각은 서로 이격되어 나란히 위치한다.
스트레인 게이지(130)는 복수의 빔(120)에 위치하여 빔(120) 각각의 변형률을 측정한다.
변형 측정 센서(100)에서 프레임(110)과 복수의 빔(120)은 PCB(Printed Circuit Board)나 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)와 같은 인쇄 회로 기판의 기판 몸체 자체에 구멍을 뚫어 관통 형상을 만드는 방식으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 프레임(110)과 복수의 빔(120)을 포함하는 기판 몸체는 연성 또는 경성 소재로 이루어질 수 있다.
즉, 변형 측정 센서(100)에서는 기판 상에 별도의 변형 구조물을 부착하여 변형률을 측정하는 것이 아니라, 기판 몸체 자체에 복수의 빔(120) 형상을 형성하고 이를 변형 구조물로 이용할 수 있다.
변형 측정 센서(100)에서 빔(120)은 양단이 프레임(110)에 부착되므로 그 중앙에서 압력에 따른 변형률이 가장 크다. 이에 따라 스트레인 게이지(130)의 측정 중심은 각 빔(120)의 중앙에 위치하는 것이 바람직하다.
이때 빔(120)은 압력에 따른 변형률을 측정하기 용이한, 각기둥, 원기둥, 끝단이 절단된 각뿔, 양단이 다른 부분보다 두께가 얇은 기둥, 양단이 다른 부분보다 두께가 굵은 기둥, 길이 방향으로 하나 이상의 구배 형상을 가지는 기둥 등의 다양한 형상을 가질 수 있다.
스트레인 게이지(130)에 측정한 신호를 전달하는 배선(131)은 프레임(110)에 위치한 배선용 홀이나 프레임(110)의 테두리, 복수의 빔(120) 간에 위치한 관통 공간을 통해 기판의 후면 또는 내부 등의 도체회로에 연결된다.
변형 측정 센서(100)에서 복수의 빔(120) 형상은 서로 이격되어 위치하고, 양단이 프레임과 연결된 구조를 가지기 때문에, 통상의 평면 형태 기판에 스트레인 게이지를 부착하여 변형률을 측정하는 경우에 비해 압력에 따른 변형률이 현저히 향상된다.
그리고 변형 측정 센서(100)는 복수의 빔(120) 형상을 가지고, 각 빔에서의 변형률을 비교하여 각 빔(120) 중 어느 부분에 압력이 가해지고 있는지를 감지할 수 있다.
또한, 기판 몸체 자체를 변형 구조물로 이용하기 때문에 변형 측정 센서(100)의 두께가 줄어들고, 변형 구조물이 평면 형태의 구조물이 아니라 이격되어 위치한 빔(120)이기 때문에 전체 센서(100)의 크기가 줄어들고 측정 정확도가 향상된다.
즉, 평면 형태의 구조물 상에 스트레인 게이지를 위치시켜 압력에 따른 변형률을 측정하는 경우, 압력에 따른 변형률이 전체적으로 크지 않아 측정 정확도가 떨어진다. 또한, 기판의 가장자리에서는 변형률이 상대적으로 작은 반면 기판의 중앙부에서는 변형률이 상대적으로 커, 기판의 중앙부에 스트레인 게이지를 위치시키는 것이 측정에 유리하므로 다 지점에서 압력을 측정하는 것이 어렵다.
반면, 제1실시예의 변형 측정 센서(100)에서는 각 빔(120)에서 변형률을 측정하여 압력이 가해지는 위치를 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 각 빔(120)의 중앙부에 위치한 스트레인 게이지(130)의 변형률 측정 성능이 비교적 균일하게 되는 장점이 있다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 기판형 변형 측정 센서(200)의 구성도이다. 제2실시예의 변형 측정 센서(200)는 제1실시예의 변형 측정 센서(100)와 복수의 빔(120)의 형상이 다른 실시예이다. 이하에서는 제2실시예의 변형 측정 센서(200)가 제1실시예의 변형 측정 센서(100)와 비교하여 차이를 갖는 부분을 중심으로 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 제2실시예의 변형 측정 센서(200)는 프레임(110), 복수의 빔(120), 스트레인 게이지(130)를 포함한다.
프레임(110)은 중앙에 관통된 공간을 가지고 복수의 빔(120)을 감싸는 형태를 가진다.
복수의 빔(120)은 프레임(110)의 관통된 형상에 지지빔 형태로 이격되어 형성되고, 중앙이 단절되어 두 개의 서브 빔(121, 122)을 가지게 된다.
스트레인 게이지(130)는 각각의 서브 빔(121, 122)에 위치하여 서브 빔(121, 122) 각각의 변형률을 측정한다.
변형 측정 센서(200)에서 프레임(110)과 서브 빔(121, 122)이 PCB나 FPCB와 같은 인쇄 회로 기판의 기판 몸체 자체에 구멍을 뚫어 관통 형상을 만드는 방식으로 형성될 수 있음은 상기한 바와 같다.
변형 측정 센서(200)에서는 서브 빔(121, 122)이 프레임(110)과 연결되는 부분에서 압력에 따른 변형률이 가장 크다. 이에 따라, 스트레인 게이지(130)는 해당 부분에 변형률의 측정 중심이 위치하는 것이 바람직하다.
제2실시예의 변형 측정 센서(200)에서는 복수의 빔(120) 각각이 두 개의 서브 빔(121, 122)을 포함하고, 이를 통해 빔(120)이 프레임(110)에 부착되는 두 부분에서 변형률을 측정할 수 있으므로, 복수의 지점에 가해지는 압력을 감지하는 것이 용이해 진다.
그 외 제2실시예의 변형 측정 센서(200)의 구성 및 이에 따른 효과는 제1실시예의 변형 측정 센서(100)와 유사하므로 그 설명을 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 기판형 변형 측정 센서(300)의 구성도이다. 제3실시예의 변형 측정 센서(300)는 복수의 제1실시예 따른 변형 측정 센서(100)를 배열하는 방식으로 구성된 실시예이다.
도 3을 참조하면, 제3실시예의 변형 측정 센서(300)는 프레임(110), 복수의 빔(120), 스트레인 게이지(130)를 포함한다.
도 3에서, 복수의 빔(120)은 프레임(110)에 양단이 부착되며, 기판의 관통된 공간을 사이에 두고 이격되어 위치한다. 이때 제3실시예의 변형 측정 센서(300)가 복수의 변형 측정 센서(100)를 배열하는 형태를 취함에 따라, 복수의 빔(120)은 단일 빔(120)을 M x N 행렬(M, N 은 자연수)로 배열한 형태로 이루진다.
이때, 기판은 PCB 또는 FPCB 소재로 이루어질 수 있고, 이에 따라 프레임(110) 및 복수의 빔(120)을 포함하는 기판 몸체는 연성 또는 경성 소재로 이루어질 수 있다.
그리고 복수의 빔(120)은, 예를 들어, 각기둥, 원기둥, 끝단이 절단된 각뿔, 양단이 다른 부분보다 두께가 얇은 기둥, 양단이 다른 부분보다 두께가 굵은 기둥, 길이 방향으로 하나 이상의 구배 형상을 가지는 기둥 등의 형상을 가질 수 있다.
제3실시예의 변형 측정 센서(300)는 제1실시예 및 제2실시예보다 넓은 공간에서 복수의 지점에 가해지는 압력을 측정할 수 있는 장점이 있다.
그 외 제3실시예에 따른 변형 측정 센서(300)의 구성 및 이에 따른 효과는 제1실시예의 변형 측정 센서(100) 및 제2실시예의 변형 측정 센서(200)와 유사하므로 그 설명을 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 기판형 변형 측정 센서(400)의 구성도이고, 도 5는 제5실시예에 따른 기판형 변형 측정 센서(500)의 구성도이며, 도 6은 변형 측정 센서(400, 500)에 포함된 신호 처리 모듈(140)의 구성도이다.
도 4 내지 도 5를 참조하면, 기판형 변형 측정 센서(400, 500)는 프레임(110), 복수의 빔(120), 스트레인 게이지(130) 및 신호 처리 모듈(140)을 포함한다.
프레임(110)은 중앙에 관통된 공간을 가지고 복수의 빔(120)을 감싸는 형태를 가진다.
복수의 빔(120)은 프레임(110)의 관통된 형상에 지지빔 형태로 형성된다. 이때, 복수의 빔(120) 각각은 서로 이격되어 나란히 위치한다.
스트레인 게이지(130)는 복수의 빔(120)에 위치하여 빔(120) 각각의 변형률을 측정한다. 스트레인 게이지(130)의 배선(131)은 배선용 홀(132)을 통해 기판의 후면이나 내부 등의 도체회로와 연결된다.
신호 처리 모듈(140)은 스트레인 게이지(130)의 신호를 처리하는 구성이다.
제4실시예의 변형 측정 센서(400)에서 신호 처리 모듈(140)은 변형 측정 센서(400)의 기판 몸체와 동일한 기판상에 존재하며, 기판의 도체회로를 통해 스트레인 게이지(130)가 측정한 변형률 측정 신호를 전달받는다. 이와 같은 변형 측정 센서(400)의 구성은 신호 처리 모듈(140)을 포함한 변형 측정 센서(400)의 제작을 용이하게 한다.
반면, 제5실시예의 변형 측정 센서(500)에서 신호 처리 모듈(140)은 프레임(110)과 복수의 빔(120)을 포함하는 기판 몸체와 별도의 기판상에 존재하여 연결배선 등을 통해 스트레인 게이지(130)가 측정한 변형률 측정 신호를 전달받는다. 이와 같은 변형 측정 센서(500)의 구성에 따라 각각의 기판은 동일 평면 상에 존재하지 않아도 되므로, 변형 측정 센서(500)의 설치가 용이하게 된다.
도 6을 참조하면, 신호 처리 모듈(140)은 증폭부(141), 신호 처리부(142), 오프셋 조정부(143)를 포함한다.
증폭부(141)는 박막의 반도체 등으로 형성되는 스트레인 게이지(130)의 신호를 증폭하는데, 이를 통해 스트레인 게이지(130)의 소신호가 적절히 분석할 수 있을 정도로 증폭된다. 이렇게 증폭된 신호는 신호 처리부(142) 또는 오프셋 조정부(143)로 전달된다.
신호 처리부(142)는 증폭부(141)로부터 증폭된 신호를 수신하여 디지털화하는 구성이다. 즉, 스트레인 게이지(130)가 센싱 정보를 전달하면 신호 처리부(142)는 해당 센싱 정보들을 디지털화하여 복수의 빔(120)에 발생한 압력을 수치화하도록 제어할 수 있다.
오프셋 조정부(143)는 스트레인 게이지(130)의 센싱 정보 오프셋을 처리하는 구성이다. 예를 들어, 박막의 반도체 타입의 스트레인 게이지(130)는 복수의 빔(120)에 부착되는 과정에서 변형이 발생할 수 있다. 이에, 스트레인 게이지(130)는 압력이 가해지지 않은 상태에서 저항 센싱을 수행하고, 오프셋 조정부는 이러한 센싱 결과에 따라 초기화를 지원한다. 이러한 과정을 통해 압력에 따른 변형률을 측정할 때의 측정 오류를 개선할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
100, 200, 300, 400, 500: 변형 측정 센서
110: 프레임
120: 빔
130: 스트레인 게이지
131: 배선
132: 배선용 홀
140: 신호 처리 모듈
141: 증폭부
142: 신호 처리부
143: 오프셋 조정부

Claims (8)

  1. 중앙에 관통된 공간을 가지는 프레임과, 상기 관통된 공간에 위치하여 상기 프레임에 양단이 연결되며 서로 이격되어 나란히 형성된 복수의 빔을 가지는 기판 몸체; 및
    상기 빔에 부착되어 상기 빔의 변형률을 측정하는 스트레인 게이지;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판형 변형 측정 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 빔은 단일 빔을 M x N 행렬(M, N은 자연수)로 배열한 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 기판형 변형 측정 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기판 몸체는 연성 또는 경성 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 기판형 변형 측정 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 빔은 중앙이 단절되어, 일단이 상기 프레임에 연결된 두 개의 서브 빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판형 변형 측정 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 빔은 각기둥, 원기둥, 끝단이 절단된 각뿔, 양단이 다른 부분보다 두께가 얇은 기둥, 양단이 다른 부분보다 두께가 굵은 기둥 및 길이 방향으로 하나 이상의 구배 형상을 가지는 기둥 중 하나 이상의 형상을 한 것을 특징으로 하는 기판형 변형 측정 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판 몸체와 일체의 기판에 위치하거나 또는 별도의 기판에 위치하여 상기 스트레인 게이지가 측정한 변형률에 따른 신호를 처리하는 신호 처리 모듈;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판형 변형 측정 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 신호 처리 모듈은
    상기 스트레인 게이지로부터 전달된 신호를 증폭하는 증폭부;
    상기 증폭부가 전달한 신호를 디지털화하는 신호 처리부; 및
    상기 반도체형 스트레인 게이지들의 오프셋을 조정하는 오프셋 조정부;
    중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판형 변형 측정 센서.
  8. 중앙에 관통된 공간을 가지는 기판 형태의 프레임; 및
    상기 관통된 공간에 위치하여 상기 프레임에 지지빔 형태로 양단이 연결되며, 이격되어 나란히 형성되어 변형률 측정을 위한 스트레인 게이지가 부착되는 복수의 빔;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판형 변형 측정 센서의 기판 몸체.
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