KR20170046217A - 촉각 근접 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 촉각 근접 센서에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 촉각 근접 센서는 관통공이 일렬로 형성된 제 1 전극 라인과 제 2 전극이 형성된 제 2 전극 라인이 수직으로 격자 형태로 배열되도록 하고, 각각의 제 1 전극 라인과 제 2 전극 라인에 신호선을 형성하도록 함으로써, 신호선의 개수를 최소한으로 줄일 수 있는 촉각 근접 센서를 제공한다.

Description

촉각 근접 센서{TACTILE SENSOR POSSIBLE TO DETECT A PROXIMITY}

본 발명은 촉각 근접 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 로봇 피부용 센서로서 제 1 전극과 제 2 전극이 동일 평면 상에 형성되며 촉각 검출 및 근접 검출이 가능한 촉각 근접 센서에 관한 것이다.

근래에 들어, 산업기술이 발달함에 따라 인간을 대신하여 산업용이나 의료용으로 요구되는 위험하거나 미세한 작업을 수행하기 위한 도구가 개발이 활발히 진행되고 있다. 이에 따라, 인체와 동일한 메카니즘을 구현하기 위한 연구는 전세계적인 관심사이며, 특히, 사람이 직접적으로 수행하기에는 위험하거나 어려운 장소에서의 업무수행을 대리시키기 위하여 인간형 손을 개발하기 위한 노력이 국내외에서 집중되고 있다.

그러나, 인간의 손은 다른 신체에 비해 작은 부피에도 불구하고 30여개의 뼈를 포함하고 있어 섬세한 동작이 가능하므로, 이러한 인간의 손과 같은 동작을 로봇으로 구현하기에는 어려움이 있다. 특히, 이러한 다자유도의 작동 메카니즘 외에도 인간의 손을 완벽하게 모사하기 위해서는, 인간이 느끼는 촉감과 동일한 촉감을 감지할 수 있도록 하는 기술이 필요하다.

이를 위해서, 로봇에 부착되어 물체에 의한 접촉력을 검출하는 인간의 피부와 같은 역할을 하는 센서가 개발되고 있다.

도 1은 종래의 커패시터(Capacitor) 타입의 로봇 피부용 촉각 센서의 개략적인 사시도이며, 도 2는 도 1의 로봇 피부용 촉각 센서의 정면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 유전율을 갖는 탄성 유전체(11)의 양면에 상호 대향되게 배치되는 한 쌍의 전극(12)을 포함한다. 이에 따라, 센서에 외부로부터 힘이 가해지면 탄성 유전체(11)가 압축되고, 전극(12) 간의 거리가 줄어들게 되어 커패시턴스 값이 변하게 된다. 이러한 커패시턴스 값의 변화에 따라 센서(10)에 가해지는 힘의 위치 및 크기를 산출한다.

이때, 센서(10)에는 전극(12)이 한 쌍만 형성되는 것이 아니라, 보다 넓은 면적에서 측정하도록 복수 개의 쌍이 형성된다. 커패시턴스 값의 변화를 구하기 위해 각 전극(12)에서의 정보가 요구되므로, 각 전극(12)마다 전선(13)이 연결된다. 따라서, 종래의 로봇 피부용 센서는 센서(10)에 형성되는 전극(12)의 개수에 따라 전선(13)의 개수가 증가되므로 센서(10)가 복잡해지고, 이에 따른 로봇 등에 부착 시 부착의 어려움 및 로봇 등의 다른 구성과의 관계 등의 문제점이 있다.

또한, 종래의 촉각 센서는 두께를 줄이는 데에 한계가 있고, 외부와 접촉되는 전극의 내구성을 확보할 수 없다는 문제점이 있었다. 그리고, 외부 자극을 센싱할 때 외부로 노출된 전극에 의해 외란(Disturbance)이 발생할 수 있으므로 로봇 피부용 센서로 사용하기에 적합하지 않다는 문제점이 있었다.

대한민국 특허공개 제10-2008-0054187호

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 제 1 전극과 제 2 전극을 동일 평면 상에 구성함과 동시에 제 1 전극과 제 2 전극을 각각 행-열의 격자무늬 형태로 배열하여 전선의 수를 최소화할 수 있는 촉각 근접 센서를 제공함에 있다.

또한, 외부로부터 물체가 접촉하는 경우뿐만 아니라 물체가 근접하는 경우에도 감지할 수 있는 촉각 근접 센서를 제공함에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 긴 평판형으로 마련되며 n개의 관통공이 1 x n의 형태로 일렬로 배열된 제 1 전극 라인이 m개 형성되어 n x m의 관통공을 형성하는 제 1 전극; 상기 관통공보다 작게 마련되어 상기 제 1 전극과 이격되도록 상기 관통공에 삽입되며 m x 1의 형태로 배열되고 상기 제 1 전극 라인과 수직으로 배열되는 제 2 전극 라인이 n개 형성되는 제 2 전극; 절연체로 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 형성되어, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극의 접촉을 방지하는 절연부; 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극의 상면에 적층되는 탄성 유전체; 및 상기 제 1 전극의 신호 값 및 상기 제 2 전극의 신호 값으로 상기 탄성 유전체에 접촉하거나 상기 탄성 유전체에 근접하는 물체 중 어느 하나를 감지하는 산출부를 포함하는 촉각 근접 센서에 의해 달성될 수 있다.

여기서, 상기 절연부는 판 형상으로 상기 관통공에 대응되는 제 2 관통공이 형성되며 상기 제 2 전극이 삽입되는 베이스부; 및 상기 베이스부의 상면에서 상기 제 2 관통공 주위로부터 돌출 형성되며, 상기 관통공에 상기 돌출 형성된 외주면이 삽입되어 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극의 접촉을 방지하는 돌출부를 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 제 1 전극 라인과 상기 제 2 전극 라인에는 각각 신호선이 형성되며, 상기 신호선은 상기 산출부와 연결되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극은 전도성 실리콘으로 형성되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 절연부는 실리콘으로 형성되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 탄성 유전체는 카본 마이크로 코일(CMC: Carbon Micro Coils)을 포함하여 형성되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 산출부는 상기 제 1 전극의 신호 값 및 상기 제 2 전극의 신호 값을 이용하여 커패시턴스 값 또는 임피던스 값을 구하여 상기 탄성 유전체에 접촉하거나 상기 탄성 유전체에 근접하는 물체 중 어느 하나를 감지하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 산출부는 상기 임피던스 값을 이용하여 상기 탄성 유전체에 근접하는 물체를 감지하는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같은 본 발명의 촉각 근접 센서에 따르면 제 1 전극과 제 2 전극을 동일 평면 상에 구성함과 동시에 제 1 전극과 제 2 전극을 각각 행-열의 격자무늬 형태로 배열하여 신호선의 수를 최소화할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 탄성 유전체로 카본 마이크로 코일(CMC: Carbon Micro Coils)을 이용하여 외부로부터 물체가 접촉하는 경우뿐만 아니라 물체가 근접하는 경우에도 감지할 수 있다는 장점도 있다.

또한, 유연성 및 신축성을 구비하여 곡면의 표면에도 장착이 가능하다는 장점도 있다.

도 1은 종래의 커패시터(Capacitor) 타입의 로봇 피부용 촉각 센서의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 로봇 피부용 촉각 센서의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 유전체를 제외한 촉각 근접 센서의 분리 사시도이다.
도 4는 도 3에서 탄성 유전체를 더 포함하는 분리 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 셀의 전극 구조를 도시한 사시도이다.
도 6의 (a)는 제 1 전극과 제 2 전극의 PCB 설계 디자인 및 카본 마이크로 코일로 형성된 탄성 유전체를 도시한 도면이고, (b)와 (c)는 본 발명에 따라 PCB 기판에 제작된 촉각 근접 센서의 전면과 후면의 사진을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 근접 센서의 선형성 실험 데이터를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 근접 센서에 일정한 힘이 가해졌을 때의 시간에 따른 커패시턴스의 변화를 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 근접 센서로 근접하는 물체를 감지할 때의 물체와의 거리에 따른 커패시턴스 값과 임피던스 값의 변화를 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 근접 센서로 근접하는 물체를 감지할 때의 반복성을 실험한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 근접 센서로 근접하는 물체의 종류에 따른 임피던스 값의 변화를 도시한 그래프이다.

실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다

이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 촉각 근접 센서를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 유전체를 제외한 촉각 근접 센서의 분리 사시도이고, 도 4는 도 3에서 탄성 유전체를 더 포함하는 분리 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 셀의 전극 구조를 도시한 사시도이며, 도 6의 (a)는 제 1 전극과 제 2 전극의 PCB 설계 디자인 및 카본 마이크로 코일로 형성된 탄성 유전체를 도시한 도면이고, (b)와 (c)는 본 발명에 따라 PCB 기판에 제작된 촉각 근접 센서의 전면과 후면의 사진을 도시한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 근접 센서는 제 1 전극(110), 제 2 전극(120), 절연부(130), 탄성 유전체(140) 및 산출부(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.

제 1 전극(110)은 제 2 전극(120) 및 탄성 유전체(140)와 함께 커패시터(Capacitor)를 형성한다. 도 3에 도시되어 있는 것과 같이 긴 판형상에 복수의 관통공(112)이 일 열로 배열된 제 1 전극 라인(115)이 복수 개 형성되어 가로 및 세로로 복수로 배열되는 관통공(112)을 형성한다. 도면에서는 각 제 1 전극 라인(115)에 10개의 관통공(112)이 형성되어 있고, 10개의 제 1 전극 라인(115)이 배열되어 총 10 x 10의 관통공(112)이 형성된 제 1 전극(110)을 도시하고 있다.

관통공(112)의 개수는 구현하고자 하는 커패시터의 개수, 센서의 크기 등에 따라 각 제 1 전극 라인(115)에 형성되는 관통공(112)의 개수(n개)와 제 1 전극 라인(115)의 개수(m개)를 조절하여 n x m 의 형태로 관통공(112)이 배열된 제 1 전극(110)을 형성할 수 있다. 또한, 제 1 전극 라인(115)에 형성되는 각 관통공(112) 사이의 거리 및 각 제 1 전극 라인(115) 사이의 간격을 조절하여 센서의 정밀도 및 센서의 크기를 조절할 수도 있다.

도면에는 관통공(112)의 형상은 원형으로 형성되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 단, 관통공(112)의 형상에 대응되도록 후술할 제 2 전극(120)의 형상이 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도면에 도시되어 있는 것과 같이 관통공(112)이 원형으로 형성되는 경우 제 2 전극(120)의 형상은 원기둥의 형상으로 형성되는 것이 바람직하고, 관통공(112)이 사각형으로 형성되는 경우 제 2 전극(120)의 형상은 사각기둥의 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

관통공(112)의 크기는 제 2 전극(120)의 단면보다 더 크게 형성되며, 관통공(112)에는 제 2 전극(120)이 삽입된다. 관통공(112)이 제 2 전극(120)의 단면보다 크게 마련되므로 제 2 전극(120)이 관통공(112)에 삽입되는 경우 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120)은 상호 이격될 수 있으며, 후술할 내용이지만 이격 공간에 절연부(130)가 형성됨으로써 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120) 사이의 접촉을 방지하여 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120)을 전기적으로 분리시킬 수가 있다.

그리고, 본 발명에서는 각 제 1 전극 라인(115)에 단일의 신호선(118)이 형성될 수 있다. 도 6(a)의 우측 상단은 제 1 전극(110)의 PCB 설계 디자인을 도시하고 있는데, 가로로 형성되는 각 제 1 전극 라인(115)에 하나의 신호선(118)이 외부로 이어진다. 각각의 제 1 전극 라인(115)에 형성되는 각 신호선(118)은 후술할 산출부(미도시)로 연결되어 신호를 전송하게 된다.

한편, 제 1 전극(110)에는 전압이 인가된다. 본 실시예에서 제 1 전극(110)은 음극인 것으로 설명하나, 제 2 전극(120)이 음극으로 마련되는 경우에는 양극으로 형성될 수 있다.

제 2 전극(120)은 제 1 전극(110)과 반대의 극성을 가지며, 제 1 전극(110)의 두께보다 더 큰 높이를 가지는 원기둥의 형상으로 마련된다. 제 2 전극(120)은 제 1 전극 라인(115)의 개수에 대응되는 개수로 소정의 간격으로 일렬도 배열되는 제 2 전극 라인(125)이 제 1 전극 라인(115)에 형성된 관통공(112)의 개수에 대응되도록 배열되어 형성된다. 본 발명에서 제 2 전극(120)을 구성하는 각 제 2 전극 라인(125)은 제 1 전극 라인(115)과 수직으로 배열되어, 도 3에 도시되어 있는 것과 같이 제 1 전극 라인(115)과 제 2 전극 라인(125)은 서로 격자 구조의 형태로 배열된다. 따라서, 제 1 전극 라인(115)에 형성되는 관통공(112)의 개수가 n개이고 배열되는 제 1 전극 라인(115)의 개수가 m개 이면, 제 2 전극 라인(125)에 형성되는 전극의 개수는 m개이고 배열되는 제 2 전극 라인(125)의 개수는 n개 형성되어, 제 1 전극 라인(115)과 제 2 전극 라인(125)은 모두 n x m 개의 단위 셀을 형성할 수 있고, 이때 제 1 전극 라인(115)과 제 2 전극 라인(125)은 전술한 바와 같이 서로 수직으로 격자 구조의 형태로 배열된다.

그리고, 본 발명에서는 각 제 2 전극 라인(125)에 단일의 신호선(128)이 형성된다. 도 6(a)의 우측 하단은 제 2 전극(120)의 PCB 설계 디자인을 도시하고 있는데, 도시되어 있는 것과 같이 세로로 형성되는 각 제 2 전극 라인(125)에 하나의 신호선(128)이 외부로 이어진다. 각각의 제 2 전극 라인(125)에 형성되는 각 신호선(128)은 후술할 산출부(미도시)로 연결되어 신호를 전송하게 된다.

따라서, 도 6에 도시되어 있는 것과 같이 본 발명에서는 제 1 전극 라인(115)과 제 2 전극 라인(125)에 각각 단일의 신호선(118, 128)이 형성되기 때문에 전체 신호선의 개수를 최소한으로 줄일 수가 있다.

전술한 바와 같이 제 1 전극(110)과 커패시터로 작용하기 위해서는 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120)은 상호 이격되어야 하며, 이에 따라 제 2 전극(120)의 단면적이 관통공(112)의 단면적보다 작게 마련되어, 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120)은 상호 이격되도록 관통공(112)에 제 2 전극(120)이 삽입된다.

한편, 제 2 전극(120)은 평판형으로 마련되는 탄성 유전체(140)가 용이하게 적층되도록 제 1 전극(110)의 상면의 높이와 같도록 관통공(112)에 삽입된다. 또한, 제 2 전극(120)에는 전압이 인가되는데, 본 실시예에서는 제 1 전극(110)과 반대의 극성인 양극으로 마련될 수 있다.

절연부(130)는 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120) 사이에 형성되어 서로 다른 극성을 갖는 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120)의 접촉을 방지하여 전기적으로 분리시킨다. 절연부(130)는 절연 재질로 마련되며, 베이스부(133) 및 돌출부(134)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 3에 도시되어 있는 것과 같이 베이스부(133)는 평판형으로 마련되어 기판(S) 위에 적층된다. 따라서, 베이스부(133)는 제 2 전극 라인(125)에 형성되는 각 신호선(128)과 제 1 전극(110) 사이의 접촉을 방지할 수 있도록 한다.

베이스부(133)에는 제 2 관통공(132)이 형성되며, 제 2 관통공(132)의 개수는 제 2 전극(120)의 개수와 대응되도록 형성된다. 즉, 전술한 바와 같이 제 2 전극(120)이 n x m으로 배열되는 경우 제 2 관통공(132)도 동일하게 n x m으로 형성된다. 제 2 관통공(132)에는 제 2 전극(120)이 삽입되므로, 제 2 관통공(132)의 면적은 제 2 전극(120)의 면적에 대응되도록 마련된다.

돌출부(134)는 베이스부(133)의 상면에서 제 2 관통공(132) 주위로부터 돌출 형성된다. 돌출부(134)는 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120) 사이의 이격 간격과 대응되는 폭을 갖도록 마련되는데, 도 5에 도시되어 있는 것과 같이 돌출부(134)의 외주면에는 제 1 전극(110)의 관통공(112)이 삽입되고 돌출부(134) 내주면인 제 2 관통공(132)에는 제 1 전극(110)이 삽입되어, 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120) 사이의 접촉을 방지할 수 있다. 따라서, 전술한 바와 같이 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120) 사이에 돌출부(134)가 형성된 절연부(130)를 개재함으로써, 동일 평면상에 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120)이 형성되도록 함과 동시에, 절연부(130)에 의해 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120)을 전기적으로 분리시키도록 할 수가 있다.

또한, 돌출부(134)의 높이는 제 1 전극(110)의 두께와 동일하게 마련함으로써 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120)이 삽입시 제 1 전극(110), 돌출부(134), 제 2 전극(120)이 형성하는 상면이 수평이 되도록 하여 판형의 탄성 유전체(140)가 용이하게 적층될 수 있도록 할 수 있다.

한편, 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120) 및 절연부(130)는 신축 가능한 재질로 마련될 수 있다. 구체적으로, 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120)은 전도성 실리콘 재질로 마련되며, 절연부(130)는 실리콘 재질로 마련될 수 있다. 신축가능한 재질로 마련됨으로써 인간의 피부나 다양한 상대 물체의 표면에 그대로 적응하여 밀착되는 것이 가능하다.

탄성 유전체(140)는 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120)의 상면에 적층되며, 유전율(Permittivity)을 갖는 유전체 재질(dielectric material)로 마련된다. 탄성 유전체(140)에 감지하고자 하는 외력이 직접적으로 가해지게 된다.

탄성 유전체(140)은 도 4에 도시되어 있는 것과 같이 판형으로 마련되며, 제 1 전극(110)과 돌출부(134) 및 제 2 전극(120)에 의해 형성되는 평면 상에 적층된다. 즉, 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120)의 상면에 적층된다. 탄성 유전체(140)는 외력이 가해지면 압축되어 두께가 줄어들며, 이로 인해 커패시턴스 값 또는 인덕턴스 값이 변화됨으로써 외력의 유무 및 외력의 크기를 산출할 수 있다.

한편, 탄성 유전체(140) 또한 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120) 및 절연부(130)와 같이 신축 가능한 재질로 마련되는 것이 바람직하다.

제 1 전극(110)과 제 2 전극(120) 및 탄성 유전체(140)에 의해 형성되는 커패시터는, 본 발명에서 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120)이 동일 평면(co-planar) 상에 위치하게 되어, 이에 따라 전기선속(electric flux)은 만곡(curvature) 형성 된다.

이러한 방식으로 형성된 커패시터의 커패시턴스 값은 하기의 수학식에 의해 결정되는 것으로 알려져 있다.

수학식 1

여기서,

는 유전 상수,

은 탄성 유전체(140) 두께,

는 전극 폭,

는 전극 거리이다.

또한, 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120)에 인가되는 전압의 위상을 달리할 때, 제 1 전극(110)의 신호 값과 제 2 전극(120)의 신호값을 이용하여 인덕턴스 값을 구할 수 있다.

산출부(미도시)는 제 1 전극(110)의 신호 값과 제 2 전극(120)의 신호 값을 이용하여 탄성 유전체(140)의 커패시턴스 값 또는 인덕턴스 값의 변화로부터 탄성 유전체(140)에 접촉하거나 탄성 유전체(140)에 근접하는 물체가 감지되었음을 판단한다. 보다 자세히는, 탄성 유전체(140)에 물체가 접촉하는 경우 접촉 위치 및 접촉력을 감지할 수 있고, 탄성 유전체(140)에 물체가 근접하는 경우 근접 위치 및 근접 거리 등을 감지할 수가 있다. 또한, 후술할 내용이지만 근접하는 물체를 감지하는 경우에는 인덕턴스 값을 이용하는 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이 제 1 전극 라인(115)과 제 2 전극 라인(125)에 각각 형성되는 신호선(118, 128)이 산출부(미도시)와 연결되는데, 산출부(미도시)는 전송 받은 제 1 전극(110)의 신호값과 제 2 전극(120)의 신호값으로부터 커패시턴스 값 또는 임피던스 값의 크기 및 변화를 구하여 물체를 감지할 수가 있다.

또한, 본 발명에서 탄성 유전체(140)는 실리콘 중에 분산된 나선형 코일 상태의 카본마이크로 코일들(CMC: Carbon Micro Coils)로 형성될 수 있다. 카본마이크로 코일들은 전도성 재질과 고분자 재질의 혼합물로 형성될 수 있다. 고분자 재질로는 실리콘 고무(Silicone rubber), 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(NBR: Acrylonitrile butadiene rubber), 폴리 디메틸실록산(PDMS: Poly-dimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다.

CMC로 형성되는 탄성 유전체(140)에 외부로부터 물체가 접근하는 경우, 카본마이크로 코일들과 전극이 형성하는 전기장이 변화하여 탄성 유전체(140)의 커패시턴스 값과 인덕턴스 값이 변화게 된다. 따라서, 탄성 유전체(140)의 커패시턴스 값 또는 인덕턴스 값의 크기 및 변화를 측정함으로써 물체의 접근 정도를 감지할 수 있다.

이하, 도 7 내지 도 9를 참조로 본 발명에 따라 10 x 10의 형태로 배열된 센서의 성능에 관한 실험 결과를 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 근접 센서의 선형성 실험 데이터를 도시한 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 근접 센서에 일정한 힘이 가해졌을 때의 시간에 따른 커패시턴스의 변화를 도시한 그래프이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 근접 센서로 근접하는 물체를 감지할 때의 물체와의 거리에 따른 커패시턴스 값과 임피던스 값의 변화를 도시한 그래프이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 근접 센서로 근접하는 물체를 감지할 때의 반복성을 실험한 그래프이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 근접 센서로 근접하는 물체의 종류에 따른 임피던스 값의 변화를 도시한 그래프이다.

도 7은 탄성 유전체(140)를 누르는 압력을 325kPa까지 서서히 증가시킨 후 다시 감소시켰을 때의 센서의 커패시턴스 값의 변화를 도시하고 있는데, 힘의 크기가 바뀜에 따라서 센서의 커패시턴스 값이 선형에 가깝게 변화하는 것을 알 수 있으며, 힘이 증가하는 경우와 힘이 감소하는 경우 커패시턴스 값의 크기가 비슷해서 히스테리시스가 거의 발생하지 않음을 알 수 있다.

또한, 도 8은 탄성 유전체(140)에 150kPa 및 70kPa의 힘이 가해졌을 때 시간에 따른 커패시턴스 값의 변화를 도시하고 있는데, 각각의 힘에 대하여 시간에 따라 일정한 값을 유지함을 알 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 촉각 근접 센서를 이용하여 물체가 근접할 때 제 1 전극(110)의 신호 값과 제 2 전극(120)의 신호 값으로부터 구한 근접 거리에 따른 커패시턴스 값과 임피던스 값의 변화를 도시한 그래프이다. 그래프를 살펴보면 물체가 근접하는 경우 인덕턴스의 값은 연속적으로 변화하는 데 반하여 커패시턴스 값은 불연속적으로 튀는 값이 발생함을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 촉각 근접 센서로 근접 물체를 감지하는 경우에는 제 1 전극(110)의 신호 값과 제 2 전극(120)의 신호 값으로부터 구한 임피던스 값을 이용하는 것이 바람직하다.

도 10은 본 발명에 따른 촉각 근접 센서로부터 물체를 220mm의 위치에서 1mm까지 근접시켰다가 다시 220mm의 위치로 이동시킬 때의 임피던스 값의 변화를 5회의 반복 실험에 따른 결과를 도시하고 있는데, 반복 실험에 의한 임피던스 값의 변화가 동일하게 나타나므로 근접 거리를 감지할 때의 반복성이 뛰어남을 알 수 있다.

도 10은 근접하는 물체를 플라스틱, 알루미늄, 및 구리로 바꾸었을 때의 근접 거리에 따른 임피던스 값의 변화를 도시한 그래프이다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

110: 제 1 전극 112: 관통공
115: 제 1 전극 라인 118: 신호선
120: 제 2 전극 125: 제 2 전극 라인
128: 신호선 130: 절연부
132: 제 2 관통공 133: 베이스부
134: 돌출부 140: 탄성 유전체

Claims (8)

1. 긴 평판형으로 마련되며 n개의 관통공이 1 x n의 형태로 일렬로 배열된 제 1 전극 라인이 m개 형성되어 n x m의 관통공을 형성하는 제 1 전극;
   상기 관통공보다 작게 마련되어 상기 제 1 전극과 이격되도록 상기 관통공에 삽입되며 m x 1의 형태로 배열되고 상기 제 1 전극 라인과 수직으로 배열되는 제 2 전극 라인이 n개 형성되는 제 2 전극;
   절연체로 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 형성되어, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극의 접촉을 방지하는 절연부;
   상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극의 상면에 적층되는 탄성 유전체; 및
   상기 제 1 전극의 신호 값 및 상기 제 2 전극의 신호 값으로 상기 탄성 유전체에 접촉하거나 상기 탄성 유전체에 근접하는 물체 중 어느 하나를 감지하는 산출부를 포함하는 촉각 근접 센서.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 절연부는
   판 형상으로 상기 관통공에 대응되는 제 2 관통공이 형성되며 상기 제 2 전극이 삽입되는 베이스부; 및
   상기 베이스부의 상면에서 상기 제 2 관통공 주위로부터 돌출 형성되며, 상기 관통공에 상기 돌출 형성된 외주면이 삽입되어 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극의 접촉을 방지하는 돌출부를 포함하는 촉각 근접 센서.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 전극 라인과 상기 제 2 전극 라인에는 각각 신호선이 형성되며, 상기 신호선은 상기 산출부와 연결되는 촉각 근접 센서.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극은 전도성 실리콘으로 형성되는 촉각 근접 센서.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 절연부는 실리콘으로 형성되는 촉각 근접 센서.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 탄성 유전체는 카본 마이크로 코일(CMC: Carbon Micro Coils)을 포함하여 형성되는 촉각 근접 센서.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 산출부는 상기 제 1 전극의 신호 값 및 상기 제 2 전극의 신호 값을 이용하여 커패시턴스 값 또는 임피던스 값을 구하여 상기 탄성 유전체에 접촉하거나 상기 탄성 유전체에 근접하는 물체 중 어느 하나를 감지하는 촉각 근접 센서.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 산출부는 상기 임피던스 값을 이용하여 상기 탄성 유전체에 근접하는 물체를 감지하는 촉각 근접 센서.

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