KR20170029539A - 폼 압력 센서 - Google Patents

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KR20170029539A
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Abstract

압력 센서는 제1 플레이트(102); 제2 플레이트(104); 및 상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트 사이에 배치되는 폼(106)을 포함한다. 폼은 약 50 내지 250㎛의 평균 셀 크기와, 5 내지 30lbs/ft3 의 밀도를 갖는 폴리우레탄 폼이다.

Description

폼 압력 센서{FOAM PRESSURE SENSOR}
본 발명은 압력 센서에 관한 것으로, 구체적으로, 이러한 센서를 포함하는 정전 용량형 폼(foam) 압력 센서 및 시스템에 관한 것이다.
압력을 측정하는 여러 방법이 존재한다. 하나의 방식은 압력 센서를 사용하는 것이다. 압력 센서는 매일 여러 용도에서 제어와 모니터링을 위해 사용된다. 또한, 압력 센서는 유체/가스 유동, 속도, 물의 레벨 및 높이와 같은 여러 사항들을 간접적으로 측정하는데 사용될 수 있다. 또한, 압력 센서는 압력 변환기, 압력 송신기, 압력 송출기, 압력 계기판, 피에조미터(piezometer) 및 마노미터(manometer) 등과 같은 다른 이름으로 불릴 수도 있다.
압력 센서의 용도는 매우 많다. 예를 들어, 압력 센서는 충격량과 유지 압력을 측정하는데 사용될 수도 있다. 이러한 용도들은 예시일 뿐이며, 다른 용도들도 제공될 수 있다.
전도성 전극들은 폼 시트의 일측에 각각 배치된다. 두 전극의 평행하는 플레이트의 정전 용량을 측정하여, 폼이 압축된 정도가 결정될 수 있다. 다른 전도성 재료 또는 인쇄된 전기적 패턴을 사용함으로써, 향상된 센서를 만들 수 있다.
일 실시 형태에 있어서, 압력 센서는 제1 플레이트, 제2 플레이트, 및 상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트 사이에 배치되는 폼을 포함한다. 상기 폼은 약 50 내지 250㎛의 평균 셀 크기와, 5 내지 30lbs/ft3 의 밀도를 갖는 폴리우레탄 폼이다.
다른 실시 형태에 있어서, 압력 센서는 제1 플레이트, 제2 플레이트, 및 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 사이에 배치되는 폼을 포함한다. 또한, 이러한 압력 센서는 상기 제1 플레이트 또는 상기 제2 플레이트 중 어느 하나의 표면에 배치되는 압전 필름이 적층된 컨덕터를 포함한다.
본 발명의 기술적 사상은 명세서 말미의 특허청구범위에서 설명되고, 특허청구범위로서 기재된다.
본 발명의 전술한 특징, 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면들을 참조로 하여 아래의 상세한 설명을 통해 보다 명확해질 것이다.
도 1a 및 도 1b는 폼 캐패시터(capacitor)의 실시예를 나타낸다.
도 2는 폼 캐패시터의 용량을 판독하기 위한 회로이다.
도 3은 도 2에 도시된 회로에서 압축시 폼 캐패시터와 비압축시 폼 캐패시터의 예시적인 응답을 나타낸다.
도 4는 압전기 센서와 조합된 폼 캐패시터를 나타낸다.
도 5는 조합시 판독을 위한 회로를 나타낸다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 압력 센서를 설명하기로 한다. 압력 센서는 개별적인 센서 자체가 될 수도 있고, 압력 센서를 포함하는 시스템의 일부로 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시 형태에 따른 압력 센서는 폼 재료로 분리된 플레이트 형태인 2개의 전도성 전극의 형태로 이루어진다. 이러한 플레이트의 한측 또는 양측에 압력이 가해지면, 폼은 압축된다. 플레이트 사이의 거리 변화를 통해 센서의 용량이 변경된다. 이러한 변경은 가해진 압력의 양과 관련된다.
본 발명의 센서는 헬멧용 충격 센서, 헬멧 또는 신발에 사용되는 착용형 센서, 대량 수송 수단용 승객의 감지, 안전띠 센서용 수하물로부터 사람을 나타낼 수 있는 자동차 시트 등과 같은 여러 다른 용도에서 사용될 수 있으며, 이러한 사항에 한정되는 것은 아니다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 형성된 캐패시터(100)로 구체화된 압력 센서의 일 실시예를 나타낸다. 이러한 캐패시터는 제1 전극(102)과 제2 전극(104)을 포함한다. 일 실시 형태에 있어서, 각 전극은 A 면적을 갖는 플레이트이다. 도시된 실시 형태와 같이, 전극들은 폼 재료(106)를 사이에 두고 분리된다.
본 명세서에 있어서, "폼"은 셀 형태의 구조를 갖는 중합체 재료를 의미하며, 이러한 셀(cell)들은 개방(망상)되거나 폐쇄될 수 있다. 폼의 특성(예를 들어, 밀도, 탄성률, 압축 하중 편향률, 인장 강도, 인열(tear) 강도 등)은 종래 알려진 반응 조성의 성분을 달리하여 조절될 수 있다. 폼은 연질(soft)이고, 세제곱 피트당 65파운드 미만의 밀도, 바람직하게 55파운드(881kg/m3) 이하의 밀도를 가질 수 있으며, 더욱 바람직하게 25파운드(400kg/m3) 미만의 밀도를 가질 수 있고, 중합체 폼의 전체 부피를 기준으로 기포의 부피는 20 내지 99%의 함량, 바람직하게 30 내지 80%의 함량을 가질 수 있다. 일부 실시 형태에 있어서, 폼은 세제곱 피트당 5 내지 30 파운드(80 내지 481kg/m3)의 밀도, 0.5 내지 20lb/in2 (0.3 내지 1.41kg/m3)의 압축력 편차(CFD)를 갖고, 70℉(21℃)에서 10%미만, 바람직하게 5% 미만의 압축변형(compression set)을 갖는다. 알려진 바와 같이, 중합체 폼은 발포 이전 또는 함께 혼합되는 전구체 조성으로부터 제조된다.
다양한 열가소성 플라스틱 또는 열경화성 수지를 포함하는 다양한 중합체가 사용될 수 있다. 사용될 수 있는 중합체들의 예시들은 폴리아세탈, 폴리아크릴, 스티렌-아크릴로니트릴(SAN), 폴리올레핀, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 테레프타레이트와 폴리부틸렌 테레프타레이트와 같은 폴리에스테르, 나일론6, 나일론6,6, 나일론 6,10, 나일론 6,12, 나일론11 또는 나일론12와 같은 폴리아미드, 폴리아마이드이미드, 폴리아릴레이트, 폴리우레탄, 에틸렌 프로필렌 고무(EPR), 폴리우레탄, 에폭시, 페놀, 실리콘 또는 전술한 중합체를 하나 이상 함유하는 조합을 포함한다.
일부 실시 형태에 있어서, 폼은 폴리우레탄 또는 실리콘 폼이다. 개방된 셀 구조에 있어서, 바람직한 압축력 편차, 압축변형 및 내마모 특성에 기초하는 낮은 변형 계수의 폴리우레탄 폼이 바람직하다. 폴리우레탄 폼은 ASTM D 3574-95에 따라 측정하였을 때, 약 50 내지 250㎛의 평균 셀 크기, 약 5 내지 30lbs/ft3, 바람직하게 6 내지 25lbs/ft3의 밀도, 약 10% 미만의 압축변형, 약 1 내지 9psi(7 내지 63kPa)의 힘 편차를 가질 수 있다. 이러한 물질들은, 예를 들어, 코넥티컷, 우드스탁, 로저스사의 제품명 포론(PORON)으로 출시되는 제품이 될 수 있다. 포론 폼은 우수한 압축변형 저항성을 포함하는 우수한 특성을 제공하도록 제조되었다. 이러한 압축변형 저항성을 갖는 폼은 완충 작용을 제공하고, 초과된 기간에도 하중시 최초 형상 또는 두께를 유지할 수 있다.
캐패시터(100)의 정전 용량은 플레이트(102, 104)의 간격에 의존한다. 이러한 간격은 도 1a에서는 D1으로, 도 1b에서는 D2로 도시된다. 도시된 바와 같이, D1이 D2보다 크다.
캐패시터의 정전 용량을 정의하는 일반적인 방정식의 형태는 아래와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pct00001
이 때, ε는 플레이트 사이의 물질(이 경우에는, 폼)의 유전율을, A는 플레이트의 면적, D는 플레이트 사이의 거리를 나타낸다.
D1이 D2보다 크다고 가정하면, 도 1a의 캐패시터의 정전 용량은 도 1b의 캐패시터의 정전 용량보다 작을 것이다. 또한, 캐패시터(100)가 회로에 부착될 수 있도록 플레이트(102, 104)에 연결되는 도선(110, 112)을 포함할 수 있다.
도 2는 도 1a 및 도 1b의 캐패시터(100)가 사용될 수 있는 간단한 회로(200)를 도시한다. 이러한 회로는 전류 전원(202)을 포함한다. 일부 실시 형태에 있어서, 전류 전원(202)은 변경 주파수 또는 특정 주파수로 전류를 제공할 수 있다. 저항(204)은 능동 저항이 될 수 있거나 회로의 대표 저항이 될 수 있다. 저합(204)과 캐패시터(100)의 조합은 R 및 C 값으로 정의되는 차단(cutoff) 주파수를 갖는 저역 필터를 제공할 수 있고, 이는 C에 반비례한다. 따라서, C가 감소함에 따라, 차단 주파수는 증가하고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 전술한 바와 같이, 플레이트 사이의 거리가 감소함에 따라, 정전 용량은 증가한다. 따라서, 차단 주파수와 거리 사이의 관계는 기본적으로 정비례 관계이다. 이를 통해 캐패시터(100)를 가압 센서로 사용할 수 있다. 즉, 압력이 증가함에 따라, 정전 용량은 증가한다.
구체적으로, 차단 주파수는 일반적으로 아래와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pct00002
이 때, C에 위의 식 1을 아래와 같이 치환할 수 있다.
Figure pct00003
이는 주파수와 이에 대한 게인(gain)(dB)이 도 3에 도시되었다. 제1 선(402)는 폼(106)이 전혀 압축되지 않았을 때 회로(200)의 예시적인 응답을 나타낸다. 제2 선(404)는 폼(106)이 완전하게 압축되었을 때 회로(200)의 예시적인 응답을 나탄내다. 차단 주파수(fc - 비압축)는 차단 주파수(fc -압축)보다 크고, 이는 D가 감소함에 따라 정전 용량이 증가하는 것을 의미한다. D는 폼과 관련되기 때문에, 압력이 증가함에 따라, D는 감소한다. 따라서, 압력이 증가함에 따라, 정전 용량이 증가한다.
이러한 차단 주파수들(예를 들어, 라인(310)으로 표시) 상부의 특정 주파수에서 차단 주파수가 감소하는 경우, 출력값(예를 들어, 도 3의 Vout)의 차이(Δ)는 폼이 압축되는 양과 관련될 것이다. 즉, 차이(Δ)는 관계하는 압력 측정(또는, 적어도 이들의 대응값) 역할을 하게 된다.
또한, 회로(200)는 선택적인 인덕터(206)를 포함할 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 정확한 수학적인 값은 전술한 값과 다를 수 있겠지만, 차이(Δ)는 다시 압력에 비례할 것이다. 실제로, 게인이 반드시 Δ값으로 사용될 필요는 없다. 예를 들어, 전압 또는 전류가 사용될 수 있다.
일 실시 형태에 있어서, 아날로그를 디지털로 변환하는 변환기는 시간이 경과함에 따라 Vout 에서의 측정된 전압/전류를 변환할 수 있다. 측정 표본의 레벨과 타이밍에 기초하여, 예정된 측정값의 하락이 발생하는 경우(예를 들어, 3dB 또는 다른Δ값), 시간이 기록될 것이다. 시간은 주파수에 대응할 것이므로, 전술한 압력 센서(100)의 정전 용량에 대응할 것이다.
일 실시 형태에 있어서, 복수의 캐패시터가 주어진 폼 영역에서 형성되고 측정되도록 좀 더 복잡한 센서가 인쇄선에 의해 형성될 것이다.
다른 실시 형태에 있어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 폼 캐패시터(100)는 플레이트(102, 104) 중 하나에 형성된 압전(piezoelectric) 센서(402)를 포함할 수 있다. 일 실시 형태에 있어서, 압전 센서(402)는 캐패시터(100)의 제1 또는 제2 플레이트 중 하나의 표면에 배치된 압전 필름이 적층된 도체의 형태이다. 일 실시 형태에 있어서, 압전 필름/센서(402)는 폼 압력 센서(100)보다 더 큰(즉, RC가 낮은) 대역폭(측정값/센서 정전 용량 RC 시정수로 정의) 대역폭을 갖도록 구성된다. 일 실시 형태에 있어서, RC 시정수는 폼 압력 센서(100)의 값보다 차수가 크거나 같은 값이다.
이러한 경우에 있어서, 도 5의 회로는 센서(402)와 폼 캐패시터(100)가 병렬로 연결된 곳에서 사용될 수 있다. 아날로그를 디지털로 변환하는 변환기(502)는 알려진 방법으로 센서(402)의 응답을 측정하고, 정전 용량형 센서(504)는 전술한 도 2에 도시된 회로(200)에서 응답하는 바와 같이 작동할 것이다. 도 5에 있어서, 압전 필름이 적층된 압력 컨덕터는 아날로그를 디지털로 변환하는 변환기(502)와 접지 준위(ground level) 사이에 연결되고, 폼 캐패시터는 정전 용량형 센서(504)와 접지 준위 사이에 연결된다.
도 4 및 도 5에 도시된 구성은 높은 대역폭의 충격(impact) 센서와 낮은 대역폭의 압력 센서를 갖는 복합 센서를 제공할 수 있다. 이를 통해, 충격의 크기와 시간을 측정할 수 있다.
단수 형태 "a" "an" 및 "the"는 문맥이 달리 분명히 지시하지 않는 한 복수형을 포함한다. 동일한 특성 또는 성분에 관한 모든 범위들의 종점(endpoints)은 독립적으로 조합가능하고, 인용된 종점을 포함한다. 모든 참조문헌들은 그 전체가 참조로서 본 명세서에 포함된다. 본 명세서 및 전반에 걸쳐 사용된 "배치된", "접촉된" 및 이의 변형은 각 재료들, 기판들, 층들, 필름들 등의 사이에서 완전한 또는 부분적인 물리적 접촉을 의미한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어 "제1" "제2" 등은 순서, 양 또는 중요성을 나타내는 것이 아니며, 그보다 하나의 요소를 다른 것과 구별하는 데 사용된다.
본 발명은 일반적인 실시 형태들이 설명을 위한 목적으로 진술되었지만, 전술한 설명들이 발명의 기술적 사상을 제한하기 위한 것은 아니다. 따라서, 당업자라면 본 발명의 기술적 사상이나 권리범위를 훼손하지 않고 다양한 변형, 적용 및 변경을 실시할 수 있다.

Claims (15)

  1. 제1 플레이트;
    제2 플레이트; 및
    상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트 사이에 배치되는 폼(foam)을 포함하는 압력 센서로서,
    상기 폼은 약 50 내지 250㎛의 평균 셀 크기와, 5 내지 30lbs/ft3 의 밀도를 갖는 폴리우레탄 폼인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 폼은 6 내지 25lbs/ft3 의 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 폼은 약 10% 미만의 압축 변형을 갖는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 폼은 약 1 내지 9psi(7 내지 63 kPa)의 힘 편차를 갖는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 플레이트는 금속 재료인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  6. 제1 플레이트;
    제2 플레이트;
    상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 사이에 배치되는 폼; 및
    상기 제1 플레이트 또는 상기 제2 플레이트 중 어느 하나의 표면에 배치되는 압전 필름이 적층된 컨덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 폼은 6 내지 25lbs/ft3 의 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 폼은 약 10% 미만의 압축 변형을 갖는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 폼은 약 1 내지 9psi(7 내지 63 kPa)의 힘 편차를 갖는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 플레이트는 금속 재료인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 폼은 약 50 내지 250㎛의 평균 셀 크기와, 5 내지 30lbs/ft3 의 밀도를 갖는 폴리우레탄 폼인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 압전 필름이 적층된 컨덕터는, 상기 제1 플레이트, 상기 제2 플레이트 및 상기 폼으로 형성된 것의 대역폭보다 더 큰 대역폭을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 플레이트, 상기 제2 플레이트 및 상기 폼은 폼 캐패시터를 형성하고,
    상기 폼 캐패시터 및 상기 압전 필름이 적층된 컨덕터는, 이들 사이에 접지 준위가 형성되도록 연결되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 압전 필름이 적층된 컨덕터는, 아날로그를 디지털로 변환하는 변환기와 상기 접지 준위 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 폼 캐패시터는 정전 용량형 센서와 상기 접지 준위 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
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