KR20180038012A - 저항-용량성 변형 센서 - Google Patents

저항-용량성 변형 센서 Download PDF

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아큘러스 브이알, 엘엘씨
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Abstract

변형 감지 장치는 탄성 기판, 탄성 기판의 제1 표면 상에 형성되고, 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제1 신호를 출력하도록 구성되는 제1 스트레인 게이지 요소 및 제1 표면과 대향하는 탄성 기판의 제2 표면 상에 형성되고, 동일한 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제2 신호를 출력하도록 구성되는 제2 스트레인 게이지 요소를 포함한다.

Description

저항-용량성 변형 센서
본 발명은 스트레인 센서에 관련된 것이다.
스트레인 센서는 그 안에 형성된 전기적 요소(저항성 스트레인 게이지, 용량성 센서 또는 유도성 센서와 같은)의 전기적 특성(예컨대, 저항, 인덕턴스 또는 커패시턴스)의 변화에 기반하여 인가되는 변형으로 인한 스트레인을 측정한다. 하지만, 개별적으로 인가되는 변형으로 인한 개별 전기적 특성(예컨대, 저항 변화 또는 커패시턴스 변화)을 측정하는 스트레인 센서는 상이한 타입의 변형을 파악하고 구별하는 능력이 부족하다. 일례로, 저항성 스트레인 게이지는 굽힘 변형과 신축 변형을 구분하는 능력이 부족하다.
본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.
변형 감지 장치는 탄성 기판, 탄성 기판의 제1 표면 상에 형성되고, 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제1 신호를 출력하도록 구성되는 제1 스트레인 게이지 요소, 및 제1 표면과 대향하는 탄성 기판의 제2 표면 상에 형성되고, 동일한 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제2 신호를 출력하도록 구성되는 제2 스트레인 게이지 요소를 포함한다.
하나 이상의 실시예에서, 변형 감지 장치는 각각이 탄성 유전 기판의 대향하는 평행 측면에 형성되고 그 사이에 커패시터를 형성하는 두 말굽 모양(예컨대, U 형상) 저항기를 포함한다. 그 사이에서 측정된 커패시턴스와 조합하여 두 저항기 각각으로부터 감지된 저항을 사용하여, 센서는 인가되는 변형의 상이한 타입 간의 구별에 사용될 수 있는 세 신호를 제공한다. 예를 들어, 세 신호의 조합은 기판의 신장과 굽힘을 구별하는데 사용될 수 있는 두 저항과 커패시턴스를 나타낸다. 변형 센서는 신체 부위에 맞고 그 신체 부위의 움직임을 검출 및 구별하는데 사용될 수 있는 장갑, 헤드셋 또는 임의의 다른 직물과 같은 웨어러블 장치에 사용될 수 있다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 웨어러블 장치는 하나 이상의 변형 센서, 측정 회로 및 변형 분석기를 포함한다. 이러한 실시예에서, 각 변형 센서는 가요성, 전기 절연 유전 물질을 포함하는 탄성 기판; 탄성 기판의 제1 표면 상에 형성되고, 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제1 신호를 출력하도록 구성되는 제1 스트레인 게이지 요소; 제1 표면과 대향하는 탄성 기판의 제2 표면 상에 형성되고, 동일한 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제2 신호를 출력하도록 구성되는 제2 스트레인 게이지 요소를 포함한다. 이러한 실시예에서, 변형 센서는 인가되는 변형에 응답하여 제3 신호를 출력하도록 구성되고, 제3 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 제1 및 제2 단자 중 하나와 제2 스트레인 게이지 요소의 제3 및 제4 단자 중 하나 간에 측정 가능하다. 측정 회로는 인가되는 변형에 응답하여 제1 스트레인 게이지 요소로부터의 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터의 제2 신호를 측정하도록 구성된다. 변형 분석기는 제1 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제2 신호 및 제3 신호에 기반하여, 인가되는 변형에서 감지 장치의 신장 변형 및 휨 변형을 계산하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 웨어러블 장치 내의 변형 센서의 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소 각각은 아치형 헤드 및 아치형 헤드의 끝에서 연장하는 한 쌍의 긴 리드를 포함하는 말굽 모양을 가지고; 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 형상의 정렬은 탄성 기판의 제1 및 제2 표면에 직교하는 축을 따라 대응한다. 이러한 실시예에서, 말굽의 정렬된 형상은 관절 조인트를 외접하고(둘러싸고), 조인트의 움직임은 변형 센서의 대응하는 변형을 야기한다.
본 발명에 따른 실시예들은 특히 시스템 및 방법에 관한 첨부된 청구항들에 개시되며, 가령 방법과 같은 하나의 청구항 카테고리에 언급되는 임의의 특징은 또한 가령 시스템과 같은 다른 청구항 카테고리로 청구될 수 있다. 첨부된 청구항의 인용 또는 참조는 형식상의 이유를 위해 선택되었을 뿐이다. 하지만 임의의 선행 청구항으로의 의도적인 참조(특히 다중 인용)에서 야기되는 임의의 주제 또한 청구될 수 있어, 청구항 및 그 특징의 임의의 조합이 첨부된 청구항에서 선택된 인용에 관계 없이 개시되고 청구될 수 있다. 청구될 수 있는 주제는 첨부된 청구항에 나타난 바와 같은 특징의 조합뿐만 아니라 청구항의 특징의 다른 임의의 조합을 포함하는데, 청구항에 언급된 각 특징은 청구항의 임의의 다른 특징 또는 다른 특징의 조합과 조합될 수 있다. 나아가, 임의의 실시예와 본 명세서에 서술되거나 도시된 특징은 별개의 청구항 및/또는 임의의 실시예나 본 명세서에 서술되거나 도시된 특징과의 또는 첨부된 청구항의 임의의 특징과의 조합에 청구될 수 있다.
본 발명에 따른 일실시예에서, 변형 감지 장치는:
탄성 기판;
탄성 기판의 제1 표면 상에 형성되고, 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제1 신호를 출력하도록 구성되는 제1 스트레인 게이지 요소; 및
제1 표면과 대향하는 탄성 기판의 제2 표면 상에 형성되고, 동일한 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제2 신호를 출력하도록 구성되는 제2 스트레인 게이지 요소를 포함한다.
본 발명에 따른 일실시예에서:
제1 스트레인 게이지 요소는 두 별개의 단자인 제1 단자 및 제2 단자를 가지고;
제1 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 제1 및 제2 단자에 걸쳐 측정 가능하고;
제2 스트레인 게이지 요소는 두 별개의 단자인 제3 단자 및 제4 단자를 가지고; 및
제2 신호는 제2 스트레인 게이지 요소의 제3 및 제4 단자에 걸쳐 측정 가능하다.
본 발명에 따른 일실시예에서:
탄성 기판은 가요성, 전기적 절연 유전 물질을 포함하고; 및
변형 감지 장치는 인가되는 변형에 응답하여 제3 신호를 출력하도록 구성되고, 제3 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 단자와 제2 스트레인 게이지 요소의 단자 간에 측정 가능하다.
본 발명에 따른 일실시예에서:
변형 감지 장치는:
인가되는 변형에 응답하여 제1 스트레인 게이지 요소로부터의 제1 신호와 제2 스트레인 게이지 요소로부터의 제2 신호를 측정하도록 구성되는 측정 회로; 및
제1 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제2 신호 및 제3 신호에 기반하여, 인가되는 변형에서 감지 장치의 신장 변형 및 휨 변형을 계산하도록 구성되는 변형 분석기를 더 포함한다.
본 발명에 따른 일실시예에서:
제1 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 제1 저항을 나타내고;
제2 신호는 제2 스트레인 게이지 요소의 제2 저항을 나타내고; 및
제3 신호는 인가되는 변형에 응답하여 측정되는 탄성 기판에 걸친 커패시턴스를 나타낸다.
변형 분석기는 다음 식을 이용하여 제1, 제2 및 제3 신호에 기반하여 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 길이 변화의 비율((ΔL)/L0)로 신장 변형의 측정치를 계산하고:
Figure pct00001
Figure pct00002
이 때, R1은 제1 저항, R2는 제2 저항, C는 커패시턴스이고, 및
Area는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소 간의 오버랩이고,
GF는 스트레인 및 저항에 관련된 게이지 팩터이고,
γ는 축 사이의 변형에 관련된 탄성 기판의 포아송 비(Poisson’s Ratio)이고,
L0는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 변형되지 않은 길이이고,
ΔL, ΔL1, ΔL2는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 길이 변화이고,
W0는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 변형되지 않은 길이이고,
ε은 탄성 기판의 유전 상수이고,
R0는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 베이스라인 저항이고,
g, g0는 각각 탄성 기판의 변형된 및 베이스라인 폭이다..
변형 분석기는 다음 식을 이용하여 제1, 제2 및 제3 신호에 기반하여 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 굽힘 반경으로 휨 변형의 측정치를 계산하고:
Figure pct00003
Figure pct00004
이 때, R1은 제1 저항, R2는 제2 저항이고, 및
GF는 스트레인 및 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 저항과 관련된 게이지 팩터이고,
γ는 축 사이의 변형에 관련된 탄성 기판의 포아송 비이고,
L0는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 변형되지 않은 길이이고,
ΔL1, ΔL2는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 길이 변화이고,
R0는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 베이스라인 저항이고,
G는 탄성 기판의 변형된 폭이고, 및
ρ1 및 ρ2는 탄성 기판의 제1 및 제2 표면의 굽힘 반경이다.
본 발명에 따른 일실시예에서:
제1 및 제2 스트레인 게이지 요소 각각은 아치형 헤드 및 아치형 헤드의 끝에서 연장하는 한 쌍의 긴 리드를 포함하는 말굽 모양을 가지고;
제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 형상의 정렬은 탄성 기판의 제1 및 제2 표면에 직교하는 축을 따라 대응하고;
제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 중심축은 평행하게 정렬되며 탄성 기판의 제1 및 제2 표면에 직교하는 면을 따라 서로 동일 평면이고; 및
제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 한 쌍의 긴 리드의 대응하는 리드는 각각 길이 방향으로 평행하고 실질적으로 동일 치수를 가진다.
본 발명에 따른 일실시예에서, 변형 감지 장치는:
측정 회로는 인가되는 변형에 응답하여 제1 스트레인 게이지 요소로부터의 제1 신호 및 제2 스트레인 게이지 요소로부터의 제2 신호를 측정하도록 구성되고; 및
변형 분석기는 제1 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제2 신호 및 제3 신호에 기반하여 인가되는 변형에서 감지 장치의 신장 변형 및 휨 변형을 계산하도록 구성된다.
본 발명에 따른 일실시예에서:
신장 변형의 측정치는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 변형되지 않은 길이와 관련된 평균 길이 변화를 나타내고; 및
휨 변형의 측정치는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소가 형성된 탄성 기판의 표면의 각진 굽힘의 굽힘 반경을 나타낸다.
변형 분석기는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 저항 변화의 신호 및 탄성 기판의 커패시턴스 변화의 신호에 기반하여, 측정된 제1, 제2 및 제3 신호를 비교함으로써, 신장 변형이 압축 신장 또는 연장 신장에 대응되는지 여부를 결정하도록 더 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 일실시예에서, 변형 감지 장치는:
탄성 기판;
제1 스트레인 게이지 쌍으로서:
탄성 기판의 제1 표면 상에 형성되고, 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제1 신호를 출력하도록 구성되는 제1 스트레인 게이지 요소, 및
제1 표면과 대향하는 탄성 기판의 제2 표면 상에 형성되고, 동일한 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제2 신호를 출력하도록 구성되는 제2 스트레인 게이지 요소를 포함하고,
변형 감지 장치는 인가되는 변형에 응답하여 제3 신호를 출력하도록 구성되고, 제3 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 단자와 제2 스트레인 게이지 요소의 단자 간에 측정 가능한 제1 스트레인 게이지 쌍;
제2 스트레인 게이지 쌍으로서:
실질적으로 탄성 기판의 제1 표면 상에 형성되고, 제2 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제4 신호를 출력하도록 구성되는 제3 스트레인 게이지 요소, 및
실질적으로 제1 표면과 대향하는 탄성 기판의 제2 표면 상에 형성되고, 동일한 제2 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제5 신호를 출력하도록 구성되는 제4 스트레인 게이지 요소를 포함하고,
변형 감지 장치는 인가되는 변형에 응답하여 제6 신호를 출력하도록 구성되고, 제6 신호는 제3 스트레인 게이지 요소의 단자와 제4 스트레인 게이지 요소의 단자 간에 측정 가능한 제2 스트레인 게이지 쌍을 포함하고,
제1 방향은 제2 방향과 직교하고,
제1 스트레인 게이지 쌍의 스트레인 게이지 요소 및 제2 스트레인 게이지 쌍의 스트레인 게이지 요소는 서로 직교한다.
변형 감지 장치는
인가되는 변형에 응답하여 제1 스트레인 게이지 요소로부터의 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터의 제2 신호, 제3 스트레인 게이지 요소로부터의 제4 신호 및 제4 스트레인 게이지 요소로부터의 제5 신호를 측정하도록 구성되는 측정 회로; 및
제1 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제2 신호, 제3 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제4 신호 및 제4 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제5 신호에 기반하여, 제1 및 제2 방향의 감지 장치의 신장 변형 및 휨 변형을 각각 계산하도록 구성되는 변형 분석기를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 일실시예에서, 변형 감지 장치는:
변형 분석기는 제1 및 제2 스트레인 게이지 쌍으로부터 검출된 제1, 제2, 제4 및 제5 신호의 크기를 비교함으로써 신장 변형의 방향이 제1 방향 또는 제2 방향의 신장인지 결정하도록 더 구성되고;
제1 방향의 신장의 경우, 변형 분석기는 제1 및 제2 신호를 사용하여 신장의 크기를 계산하도록 구성되고; 및
제2 방향의 신장의 경우, 변형 분석기는 제4 및 제5 신호를 사용하여 신장의 크기를 계산하도록 구성된다.
본 발명에 따른 일실시예에서, 변형 감지 장치는:
변형 분석기는 측정된 제1, 제2, 제4 및 제5 신호에 기반하여 휨 변형의 크기 및 휨 변형의 방향을 결정하도록 더 구성된다.
본 발명에 따른 일실시예에서:
변형 분석기는 제1 및 제2 스트레인 게이지 쌍으로부터 검출된 제1, 제2, 제4 및 제5 신호의 크기를 비교함으로써 휨 변형의 방향이 제1 방향 또는 제2 방향의 굽힘인지 결정하도록 더 구성되고;
제1 방향의 굽힘의 경우, 변형 분석기는 제1 및 제2 신호를 사용하여 굽힘의 크기를 계산하도록 구성되고; 및
제2 방향의 굽힘의 경우, 변형 분석기는 제4 및 제5 신호를 사용하여 굽힘의 크기를 계산하도록 구성된다.
변형 분석기는 측정된 제1, 제2, 제4 및 제5 신호에 기반하여, 휨 변형이 탄성 기판의 제1 표면을 향한 굽힘 또는 탄성 기판의 제2 표면을 향한 굽힘에 대응하는지 여부를 결정하도록 더 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 일실시예에서, 변형 감지 장치는:
탄성 기판;
탄성 기판의 제1 표면 상에 형성되고, 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제1 신호를 출력하도록 구성되는 제1 스트레인 게이지 요소; 및
제1 표면과 대향하는 탄성 기판의 제2 표면 상에 형성되고, 제2 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제2 신호를 출력하도록 구성되는 제2 스트레인 게이지 요소를 포함하고,
변형 감지 장치는 인가되는 변형에 응답하여 제3 신호를 출력하도록 구성되고, 제3 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 단자와 제2 스트레인 게이지 요소의 단자 간에 측정 가능하고,
제1 방향은 제2 방향과 직교하고,
제1 스트레인 게이지 요소 및 제2 스트레인 게이지 요소는 서로 직교한다.
본 발명에 따른 일실시예에서:
인가되는 변형에 응답하여 제1 스트레인 게이지 요소로부터의 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터의 제2 신호 및 제3 신호를 측정하도록 구성되는 측정 회로; 및
제1 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제2 신호 및 측정된 제3 신호에 기반하여, 제1 및 제2 방향의 감지 장치의 신장 변형 및 휨 변형을 각각 계산하도록 구성되는 변형 분석기를 더 포함한다.
본 발명에 따른 일실시예에서, 변형 감지 장치는:
변형 분석기는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소로부터 검출된 제1 및 제2 신호의 크기를 비교함으로써 신장 변형의 방향이 제1 방향 또는 제2 방향의 신장인지 결정하도록 더 구성되고;
제1 방향의 신장의 경우, 변형 분석기는 제1 및 제3 신호를 사용하여 신장의 크기를 계산하도록 구성되고; 및
제2 방향의 신장의 경우, 변형 분석기는 제2 및 제3 신호를 사용하여 신장의 크기를 계산하도록 구성된다.
본 발명에 따른 일실시예에서:
변형 분석기는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소로부터 검출된 제1 및 제2 신호의 크기를 비교함으로써 휨 변형의 방향이 제1 방향 또는 제2 방향의 굽힘인지 결정하도록 더 구성되고;
제1 방향의 굽힘의 경우, 변형 분석기는 제1 및 제3 신호를 사용하여 굽힘의 크기를 계산하도록 구성되고; 및
제2 방향의 굽힘의 경우, 변형 분석기는 제2 및 제3 신호를 사용하여 굽힘의 크기를 계산하도록 구성된다.
본 발명에 따른 일실시예에서 웨어러블 장치는:
하나 이상의 변형 센서를 포함하는 웨어러블 장치로서, 각 변형 센서는:
가요성, 전기 절연 유전 물질을 포함하는 탄성 기판;
탄성 기판의 제1 표면 상에 형성되고, 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제1 신호를 출력하도록 구성되는 제1 스트레인 게이지 요소; 및
제1 표면과 대향하는 탄성 기판의 제2 표면 상에 형성되고, 동일한 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제2 신호를 출력하도록 구성되는 제2 스트레인 게이지 요소를 포함하고,
변형 센서는 인가되는 변형에 응답하여 제3 신호를 출력하도록 구성되고, 제3 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 제1 및 제2 단자 중 하나와 제2 스트레인 게이지 요소의 제3 및 제4 단자 중 하나 간에 측정 가능하고;
측정 회로는 인가되는 변형에 응답하여 제1 스트레인 게이지 요소로부터의 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터의 제2 신호를 측정하도록 구성되고; 및
변형 분석기는 제1 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제2 신호 및 제3 신호에 기반하여, 인가되는 변형에서 감지 장치의 신장 변형 및 휨 변형을 계산하도록 구성된다.
본 발명에 따른 일실시예에서:
웨어러블 장치 내의 변형 센서의 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소 각각은 아치형 헤드 및 아치형 헤드의 끝에서 연장하는 한 쌍의 긴 리드를 포함하는 말굽 모양을 가지고;
제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 형상의 정렬은 대응하고 형상은 관절 조인트를 외접하도록 구성되고, 조인트의 움직임은 변형 센서의 대응하는 변형을 야기한다.
본 발명에 따른 일실시예에서, 변형 센서의 변형을 감지하는 방법은:
인가되는 변형에 응답하여:
변형 센서의 탄성 기판의 제1 표면 상에 형성되는 제1 스트레인 게이지 요소로부터 제1 신호를 측정하는 단계;
변형 센서의 탄성 기판의 제2 표면 상에 형성되는 제2 스트레인 게이지 요소로부터 제2 신호를 측정하는 단계;
제1 스트레인 게이지 및 제2 스트레인 게이지 간의 제3 신호를 측정하는 단계; 및
제1 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제2 신호 및 제3 신호에 기반하여, 인가되는 변형에서 변형 센서의 신장 변형의 측정치 및 휨 변형의 측정치를 계산하는 단계를 포함하고,
제1 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 저항을 나타내고,
제2 신호는 제2 스트레인 게이지 요소의 저항을 나타내고,
제3 신호는 인가되는 변형에 응답하여 측정되는 탄성 기판에 걸친 커패시턴스를 나타낸다.
본 발명에 따른 다른 실시예로, 하나 이상의 컴퓨터-판독가능한 비-일시적 저장매체는 본 발명 또는 상술한 실시예들 중 임의의 것에 따른 방법을 수행하도록 실행시 동작가능한 소프트웨어를 포함한다.
본 발명에 따른 다른 실시예로, 시스템은 하나 이상의 프로세서; 및 프로세서에 결합되며 프로세서에 의해 실행가능한 명령어들을 포함하는 적어도 하나의 메모리를 포함하며, 상기 프로세서는 명령어들을 실행시 본 발명 또는 상술한 실시예들 중 임의의 것에 따른 방법을 수행하도록 동작가능하다.
본 발명에 따른 다른 실시예로, 바람직하게는 컴퓨터-판독가능한 비-일시적 저장 매체를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품이 데이터 처리 시스템에서 실행시 본 발명 또는 상술한 실시예들 중 임의의 것에 따른 방법을 수행하도록 동작가능하다.
본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.
도 1a-1c는 각각 하나 이상의 실시예에 따른 인가 신축 변형이 있고 없는 변형 감지 장치의 측면도를 도시한다.
도 2a-2c는 각각 하나 이상의 실시예에 따른 인가 휨 변형이 있고 없는 변형 감지 장치의 측면도를 도시한다.
도 3a는 하나 이상의 실시예에 따른 변형 감지 장치의 사시도를 포함하는 변형 감지 시스템을 도시한다.
도 3b는 일부 실시예에 따른 도 3a의 측정 회로의 예시적인 구현을 포함한다.
도 4a-4c는 하나 이상의 실시예에 따른 변형 감지 장치에 인가되는 길이 방향 신축 변형을 도시한다.
도 5a-5c는 하나 이상의 실시예에 따른 변형 감지 장치에 인가되는 폭 방향 신축 변형을 도시한다.
도 6a-6c는 하나 이상의 실시예에 따른 변형 감지 장치에 적용되는 길이 방향 휨 변형을 도시한다.
도 7a-7f는 하나 이상의 실시예에 따른 직교 방향의 신축 및 휨 변형을 구별하기 위한 직교 배향 스트레인 게이지를 포함하는 수정된 변형 센서를 도시한다.
도 8-11은 하나 이상의 실시예에 따른 하나 이상의 변형 감지 장치를 포함하는 웨어러블 시스템의 예시를 도시한다.
도 12는 하나 이상의 실시예에 따른 본 명세서에 개시되는 변형 감지 장치를 사용하여 변형을 감지하는 방법을 도시하는 흐름도를 포함한다.
도면들은 단지 예로서 본 발명의 다양한 실시예들을 도시한다. 통상의 기술자는 후술할 설명으로부터 본 명세서에 설명되는 구조 및 방법의 대안적인 실시예가 본 명세서에 설명되는 발명의 원리로부터 벗어나지 않고 채용될 수 있음을 용이하게 인식할 것이다.
도 1a-1c는 각각 하나 이상의 실시예에 따른 인가 변형이 있고 없는 변형 감지 장치의 측면도를 도시한다.
도 1a-1c는 각각 변형 감지 장치(100)(본 명세서에서 대안적으로 변형 센서(100)로 지칭됨)의 측면도를 도시한다. 도 1a는 하나 이상의 실시예에 따른 인가 변형 없는 변형 감지 장치(100)의 측면도를 도시한다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 변형 감지 장치(100)는 제1 스트레인 게이지 요소(110), 제2 스트레인 게이지 요소(120) 및 탄성 기판(130)을 포함한다. 제1 스트레인 게이지 요소(110)는 탄성 기판(130)의 제1 표면(130-a) 상에 형성된다. 제2 스트레인 게이지 요소는 탄성 기판(130)의 제2 표면(130-b) 상에 형성되고, 제2 표면(130-b)은 제1 표면(130-a)과 대향한다.
제1 스트레인 게이지 요소(110)는 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제1 신호를 출력하도록 구성된다. 제2 스트레인 게이지 요소(120)는 같은 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제2 신호를 출력하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 스트레인 게이지는 탄성 기판의 반대 측면 상에 동일하거나 대칭으로 대응되는 정렬을 가지기 위하여 기판의 반대 측면에 대칭으로 형성된다. 예를 들어, 제1 및 제2 스트레인 게이지의 길이는 평행하다(또한 선택적으로 일치하고 동일 평면이다). 그 결과, 제1 및 제2 스트레인 게이지는 특정 방향으로 인가되는 스트레인에 비슷한 응답을 생성한다. 따라서, 스트레인이 스트레인 게이지의 길이와 평행한 방향을 따라 인가될 때, 두 스트레인 게이지는 스트레인에 응답하는 대응하는 신호를 출력한다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 제1 스트레인 게이지 요소(110)는 두 별개의 단자인 제1 단자(110-a)와 제2 단자(110-b)를 가진다. 제1 스트레인 게이지 요소(110)에서 출력되는 제1 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 제1 및 제2 단자에 걸쳐 측정 가능하다. 일부 실시예에서, 제1 신호는 변형으로 인한, 인가된 변형에 응답하여 측정된 제1 스트레인 게이지 요소(110)의 제1 저항(R1) 또는 제1 저항 변화(ΔR1)를 나타낸다. 변형은 제1 방향으로 인가된 스트레인 및 다른 변형(휨 또는 굽힘 변형 등)에 응답하여 일어날 수 있다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 제2 스트레인 게이지 요소(120)는 두 별개의 단자인 제3 단자(120-a)와 제4 단자(120-b)를 가진다. 제2 신호는 제2 스트레인 게이지 요소의 제3 및 제4 단자에 걸쳐 측정 가능하다. 일부 실시예에서, 제2 신호는 인가된 변형에 응답하여 측정된 제2 스트레인 게이지 요소(120)의 제2 저항(R2) 또는 제2 저항 변화(ΔR2)를 나타낸다.
일부 실시예에서, 탄성 기판(130)은 가요성, 전기 절연성 유전 물질을 포함한다. 변형 센서(100)는 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제3 신호를 출력하도록 구성되는데, 제3 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 단자와 제2 스트레인 게이지 요소의 단자 간에 측정 가능하다. 일부 실시예에서, 제3 신호는 인가된 변형에 응답하여 측정된 탄성 기판에 걸친 커패시턴스(C) 또는 커패시턴스 변화(ΔC)를 나타낸다.
신축성 기판(예컨대 탄성 기판(130)과 같은)의 예시적인 물질은 도전성 스트레인 감응 경로(스트레인 게이지 요소)를 생성하기 위하여 도전성 입자(카본 블랙, 탄소 나노튜브, 은 나노 입자 또는 나노 와이어)로 도핑될 수 있는 실리콘(PDMS)을 포함한다. 구성은 10 듀로미터 미만에서 100 듀로미터 범위의 경도이고, 200%를 초과하는 신장, 총 센서 두께만큼 작은 최대 휨 반경을 견딜 수 있다. 비도전층(예컨대, 유전성 탄성 기판(130))은 균질한 탄성중합체일 수 있거나, 특정 변형 값 또는 범위에 대해 향상된 감도를 위해 최적화하는데 사용될 수 있는 유전체 유전율 관계에 비선형 갭을 생성하는 탄성중합체 발포체(개방 셀 또는 폐쇄 셀)일 수 있다.
도 1b는 변형 센서(100)의 길이 방향 신장을 도시하는데, 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소(110 및 120)의 길이의 연장 및 탄성 기판(130)의 폭(두께)의 감소를 낳는다. 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소(110 및 120)의 치수의 변화뿐만 아니라 사이의 유전체 기판(130)의 두께의 변화의 결과로, 커패시턴스(C)뿐만 아니라 저항(R1 및 R2)도 알려진 결정론적 방식으로 변화한다. 제1, 제2 및 제3 신호는 저항(R1, R2) 및 커패시턴스(C) 또는 R1, R2 및 C의 변화를 나타낸다. 일부 실시예에서, 도 3을 참조하여 더 서술되는 바와 같이, 세 신호의 조합은 센서(100)의 신장 연장의 크기(및 선택적으로 방향)를 추정하는데 사용될 수 있다.
반대로, 도 1c는 센서(100)의 압축으로 인한 신장 변형을 도시한다. 일부 실시예에서, 휴식 상태(어떠한 변형도 없는 상태)에서, 스트레인 게이지 요소는 기판에서 형성될 때 기존 신장 신축성을 가지도록 구성될 수 있다. 이러한 구현에서, 스트레인 게이지 요소는 기존 신장 신축성의 감소를 가져오는 압축 신장을 감지할 수 있다.
도 2a-2c는 각각 하나 이상의 실시예에 따른 인가 휨 변형이 있고 없는 변형 감지 장치의 측면도를 도시한다. 도 2a는 어떠한 변형도 없는 변형 센서(100)를 도시한다. 도 2b-2c는 변형 센서(100)의 휨(휨 변형)을 도시하는데, 탄성 기판(130)의 표면이 호를 그리거나 굽히는 결과를 낳는다. 비대칭 변화가 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소(110 및 120)의 치수에 발생한다 - 예컨대, 도 2b에서 굽힘이 제2 요소(120)를 향할 때 제1 요소(110)의 길이는 요소(120)의 길이보다 더 증가하고; 도 2c에서 굽힘이 제1 요소(110)를 향할 때 요소(120)의 길이는 요소(110)의 길이보다 더 증가한다. 그 결과, 저항(R1 및 R2)은 인가되는 휨 편형 하에서 비대칭으로, 결정론적 방식으로 변화한다. 나아가, 사이의 유전 기판(130)의 두께 및 방향의 변화는, 알려진 결정론적 방식으로 커패시턴스(C)의 변화를 낳는다. 제1, 제2 및 제3 신호는 저항(R1, R2) 및 커패시턴스(C) 또는 R1, R2 및 C의 변화를 나타낸다. 일부 실시예에서, 도 3을 참조하여 더 서술되는 바와 같이, 세 신호의 조합은 센서(100)의 휨 연장의 크기(및 선택적으로 방향)를 추정하는데 사용될 수 있다.
도 3a는 하나 이상의 실시예에 따른 변형 감지 장치(100)를 포함하는 변형 감지 시스템(300)을 도시한다. 하나 이상의 실시예에서, 변형 감지 시스템은 변형 센서(100), 측정 회로(140) 및 변형 분석기(150)를 포함한다.
도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 변형 센서(100)는 도 1a를 참조하여 설명한 바와 같은 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소(110 및 120) 및 탄성 기판(130)을 포함한다. 일부 실시예에서, 그리고 도 3a의 도시에서, 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소(110 및 120) 각각은 말굽(‘U’) 모양을 가지고, 아치형(예컨대, 만곡 또는 반원형) 헤드와 아치형 헤드의 끝에서 연장되는 한 쌍의 긴 리드를 포함한다. 말굽(‘U’) 모양의 이점은 ‘U’ 모양이 평행한 판 커패시터를 그 단말에 걸쳐 측정 가능한(끝에서 끝으로 전류를 흘리거나 전압을 인가함으로써) 저항을 가지는 저항성 전류 경로로 단순한 직사각형 판을 확장하는 기하학적으로 단순한 방법이라는 것이다. 이 기하학적 단순함은 설계 및 제조 관점에서 유리하다. 양 끝에 걸친 전도성 요소(예컨대, 직사각형 또는 1차원적 와이어형 궤적)로부터 정보를 얻는 저항(R1 및 R2)의 측정은 유사한 수학식을 얻지만 단일 종단 또는 단일 면 측정이 패키징 관점에서 더 유용하다. 멀티 패스 사행 경로(multi-pass meandering path)(예컨대, 다중 U 모양)이 대안적으로 사용될 수 있다. 이 선택된 형상은 각 스트레인 게이지의 총 저항뿐만 아니라 두 스트레인 게이지 요소 간의 커패시턴스를 위한 모델에 영향을 미친다.
일부 실시예에서, 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 형상의 정렬은 탄성 기판(130)의 제1 및 제2 표면에 직교하는 축을 따라 대응(예컨대, 오버랩 또는 일치)한다. 이러한 실시예에서, 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소(110 및 120)의 중심 축은 평행하게 정렬되고, 또한 대응(예컨대, 오버랩 또는 일치)하며 탄성 기판의 제1 및 제2 표면과 직교하는 동일한 평면 내에 형성된다. 즉, 말굽이 평행하고 일치하는 중심축과 정렬된다. 유사하게, 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 한 쌍의 긴 리드 중 대응하는 리드는 각각 평행하고 실질적으로 동일한 치수를 가진다.
일부 실시예에서, 측정 회로(140)는 인가된 변형에 응답하여 제1 스트레인 게이지 요소(110)로부터의 제1 신호와 제2 스트레인 게이지 요소(120)로부터의 제2 신호를 측정하도록 구성된다.
도 1a를 참조하여 설명한 바와 같이, 일부 실시예에서, 제1 신호는 인가된 변형(예컨대, 제1 방향의 스트레인을 포함)에 응답하여 측정된 제1 스트레인 게이지 요소(110)의 제1 저항(R1) 또는 제1 저항 변화(ΔR1)를 나타낸다. 일부 실시예에서, 제1 신호는 제1 스트레인 게이지 요소(110)의 제1 및 제2 단자(110a 및 110b) 간의 측정 회로에 의해 인가된 제1 알려진 전기 신호(예컨대, 알려진 전압이나 전류)에 응답하여 측정된다.
일부 실시예에서, 그리고 도 1a를 참조하여 설명한 바와 같이, 제2 신호는 인가된 변형에 응답하여 측정된 제2 스트레인 게이지 요소(120)의 제2 저항(R2) 또는 제2 저항 변화(ΔR2)를 나타낸다. 일부 실시예에서, 제2 신호는 제2 스트레인 게이지 요소(120)의 제3 및 제4 단자(120a 및 120b) 간의 측정 회로에 의해 인가된 제2 알려진 전기 신호(예컨대, 알려진 전압이나 전류)에 응답하여 측정된다.
일부 실시예에서, 제3 신호는 인가된 변형에 응답하여 측정된 탄성 기판에 걸친 커패시턴스(C) 또는 커패시턴스 변화(ΔC)를 나타낸다. 일부 실시예에서, 제3 신호는 제1 스트레인 게이지 요소(110)의 단자(예컨대, 제1 및 제2 단자 중 하나)와 제2 스트레인 게이지 요소(120)의 단자(예컨대, 제3 및 제4 단자 중 하나) 간에 인가된 제3 알려진 전기 신호(예컨대, 알려진 교류 전류)에 응답하여 측정된다.
일부 실시예에서, 측정 회로(140)는 두 교류(시간차) 측정 페이즈를 가진다. 제1 페이즈 동안, R1과 R2의 측정을 위하여, 알려진 전압이나 전류가 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소 각각에 걸쳐 제공될 수 있다. 제2 페이즈 동안, C의 측정을 위하여, 제1 스트레인 게이지 요소의 제1 및 제2 단자(110a 및 110b)는 커패시터의 한 플레이트를 형성하도록 쇼트될 수 있고, 유사하게 제2 스트레인 게이지 요소(120)의 제3 및 제4 단자(120a 및 120b)는 커패시터의 제2 플레이트를 형성하도록 쇼트될 수 있고, 탄성 기판은 제1 및 제2 플레이트 간의 유전 절연체를 형성한다. 커패시턴스(C)는 그 후 선택적으로 제1 플레이트(함께 쇼트된 제1 및 제2 단자(110a 및 110b))와 제2 플레이트(함께 쇼트된 제3 및 제4 단자(120a 및 120b))에 걸쳐 측정될 수 있다.
도 3b는 일부 실시예에 따른 도 3a의 측정 회로(140)의 예시적인 구현을 포함한다. 측정 회로(140)는 스위치(S1, S2 및 S3), 전류 소스(Isrc), 전압 소스(Vsrc), 전압계(350) 및 전류계(355)를 포함한다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 저항 컴포넌트(R1+R2)는 아래 나열되는 하나 이상의 접근법에 기반하여 도 3b의 장치를 사용하여 측정된다.
벌크 R[R1+R2]의 측정:
1) 장치(325)를 방전한다. 전류 소스(Isrc)를 일정한 dc 전류로 설정하고 스위치(S1)를 켠다. 측정 지점에서 초기 dc 전압(Vdut)을 측정하는데, Idut*(R1+R2)이다. 합성 저항(R1+R2)은 Vdut와 Idut의 측정된 값에 기반하여 결정될 수 있다.
2) 장치(325)를 방전한다. 전압 소스(Vsrc)를 일정한 dc 전압으로 설정하고 스위치(S2)를 켠다. 측정 지점에서 초기 dc 전류(Idut)를 측정하는데, Vdut/(R1+R2)이다. 합성 저항(R1+R2)은 Vdut와 Idut의 측정된 값에 기반하여 결정될 수 있다.
3) 장치(325)를 방전한다. 소스에 전하를 도입하고 스위치를 켠다. 소스에서 초기 전압(Vdut) 및 전류(Idut)를 측정하는데, R1+R2=Vdut/Idut를 기록한다.
4) 일정한 AC 전류로 전류 소스(Isrc) 또는 일정한 AC 전압으로 전압 소스(Vsrc)를, 시스템의 주파수 1/(2*pi*(R1+R2)보다 현저히 높은 것으로 알려진 주파수로 구동한다. 측정 지점에서 정상 상태 RMS 전압(Vdut)와 전류(Idut)를 기록하고 R1+R2=Vdut/Idut를 계산한다.
나아가, 하나 이상의 실시예에 따르면, 커패시턴스 컴포넌트(C)는 아래 나열되는 하나 이상의 접근법에 기반하여 도 3b의 장치를 사용하여 측정된다.
커패시턴스(C)의 측정:
1) 전압 소스(Vsrc)를 일정한 dc 전압으로 설정하고 스위치(S2)를 켠다. 예컨대, 스위치(S2)가 켜지는 것을 참조하여 측정된 전류(Idut)의 기정의된 측정값으로 충전되는 시간에 기반하여 C가 충전되는 시간을 측정한다. 동일한 기정의된 전류값 및 벌크 저항(R1+R2)의 동일한 값에 대한 알려진 기준 커패시터에 대한 방전 시간 간격과 비교한다. 커패시터 변화는 시간에 반비례한다. 그리고, 스위치(S2)를 끄고 스위치(S3)를 켜서 커패시터(C)를 방전하고 전류-시간 측정을 반복하고 유사한 전류-시간 측정을 기록하여 기준 커패시터와 비교한 그 방전 특성으로부터 C의 값을 계산한다.
2) AC 임피던스: 전압 소스(Vsrc)를 시스템의 공진 주파수 1/(2*π*(R1+R2)*C)와 같은 차수의 크기의 주파수에서 일정한 AC 전압으로 설정하고 스위치(S2)를 켠다. 시스템의 RMS 전류(Idut)를 측정하고 동일한 R1+R2 벌크 저항에서 기준 커패시턴스에 대한 충전 전류와 비교한다. 커패시턴스(C)에 정비례하는 전류(Idut)를 기록한다.
장치(325)를 방전한다. 전하 이동: 고정된 기간 동안 일전한 전하 또는 일정한 전류를 자극으로 사용한다. 시스템이 안정된 후, 일정한 전하나 일정 기간 전류 펄스에 대한 커패시턴스에 반비례하는 개방 회로 전압 Vdut를 기록한다.
4) 공진: 전류계(355)를 알려진 인덕턴스(예를 들어 L 값)를 가지는 인덕터로 교체한다. LC 시스템의 공진 최소나 최대를 찾기 위하여 일정한 AC 전압과 AC 전압의 스윕 주파수로 전압 소스(Vsrc)를 구동한다. 공진 주파수는 1/(1*pi*sqrt(L*C))이다. 측정된 공진 주파수와 알려진 인덕턴스 값 L에 기반하여 C를 결정한다.
일부 실시예에서, 변형 분석기(150)는 제1 스트레인 게이지 요소(110)로부터의 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소(120)로부터의 제2 신호 및 제3 신호(130)에 기반하여 인가된 변형의 신장 변형(310)의 측정값(절대 계량 또는 분수비) 및 감지 장치(100)의 휨 변형(320)의 측정값(예컨대, 절대 계량 또는 분수비)을 계산한다.
일부 실시예에서, 신장 변형(310)은 스트레인 게이지 요소(들) 상의 스트레인으로 결정되고, 원래의 변형되지 않은 길이의 비율로 길이의 변화를 계산하고[즉, ΔL1과 ΔL2가 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 길이 변화이고 L0가 원래의 길이일 때 (ΔL1+ΔL2)/2L0, 또는 만약 ΔL1=ΔL2=ΔL이면 (ΔL)/L0], 분수 또는 퍼센티지로 표현된다. 예를 들어, 변형되지 않은 길이가 10cm이고 15cm로 늘어난 스트레인 게이지는 50%의 스트레인을 받는다. 일부 실시예에서, 신장 변형(310)의 측정값은 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소(110 및 120)의 평균 길이 변화를 나타낸다. 이러한 실시예에서, 변형 분석기는 제1, 제2 및 제3 신호에 기반하여, 다음 식을 사용하여 신장 변화의 측정값을 계산한다:
Figure pct00005
Figure pct00006
Figure pct00007
이 때, R1은 제1 저항, R2는 제2 저항, C는 커패시턴스이고; 및
Area는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소 간의 오버랩이고,
GF는 스트레인과 저항과 관련된 게이지 팩터이고,
γ는 축 사이의 변형에 관련된 탄성 기판의 포아송 비(Poisson’s Ratio)이고,
L0은 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 변형되지 않은 길이이고,
ΔL, ΔL1, ΔL2는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 길이 변화이고,
W0는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 변형되지 않은 길이이고,
ε은 탄성 기판의 유전 상수이고,
R0는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 베이스라인 저항이고,
g, g0는 각각 탄성 기판의 변형된 및 베이스라인 폭이다.
대안적으로, 만약 ΔL1= ΔL2= ΔL이라면:
Figure pct00008
Figure pct00009
일부 실시예에서, 순수 휨 변형의 측정치는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소가 형성된 탄성 기판의 표면의 굽힘 각도를 나타낸다. 일례로, 순수 휨 측정치는 도전체가 형성된 표면의 굽힘으로 인해 형성된 호에 대하는 반경(예컨대, 평균 곡률 반경 또는 굽힘 반경)에 대응한다. 변형 분석기는 제1, 제2 및 제3 신호에 기반하여, 다음 식을 사용하여 순수 휨 변형의 측정값을 계산한다:
Figure pct00010
Figure pct00011
Figure pct00012
이 때, R1은 제1 저항, R2는 제2 저항, Cbend는 커패시턴스이고; 및
GF는 스트레인 및 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 저항에 관련된 게이지 팩터이고,
γ는 축 사이의 변형에 관련된 탄성 기판의 포아송 비(Poisson’s Ratio)이고,
L0은 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 변형되지 않은 길이이고,
ΔL1, ΔL2는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 길이 변화이고,
R0는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 베이스라인 저항이고,
g는 탄성 기판의 변형된 폭이고, 및
ρ1 및 ρ2는 탄성 기판의 제1 및 제2 표면의 굽힘 반경이다.
신장 및 휨 변형이 조합된 경우에(둘 다 존재), 그리고 Cmeasured≠C0인 구성에서, 신장 및 휨 변형의 측정치는 두 전극에 대한 공통 ΔLstretch의 계산(수학식 4 및 5 사용), R1measured 및 R2measured에서 빼기, 굽힘 반경 ρ1 및 ρ2의 계산(수학식 7 및 8)에 기반하여 계산된다. 신장 및 굽힘 조합 구성의 경우, 두 효과(신장 및 휨)의 중첩이 고려된다. 총 신장은 탄성 기판의 커패시턴스에 기반하여(또는 대용물인 기판의 변형된 폭(g)에 대응되는 차이에 의하여) 추정된다. 스트레인 게이지 요소의 새 베이스라인 길이(L0’)가 계산된다(예컨대, 수학식 4 및 5를 사용하여). R1’ 및 R2’의 새 베이스라인 측정치가 결정된다. 곡률(휨 측정치)가 차이 L1-L0’ 및 L2-L0’(대안적으로 R1-R1’ 및 R2-R2’로 표현)에 기반하여, 예컨대 순수 곡률(휨)에 대해 서술된 바와 같은 동일한 방법(예컨대, 수학식 4 및 5)을 사용하여 계산된다.
도 4a-4c는 하나 이상의 실시예에 따른 변형 감지 장치에 인가되는 길이 방향 신장 변형(방향/치수(410)를 따라)을 도시한다. 도 5a-5c는 하나 이상의 실시예에 따른 변형 감지 장치에 인가되는 폭 방향 압박 변형(방향/치수(420)를 따라)을 도시한다.
도 4a는 어떠한 변형도 없는 변형 센서(100)를 도시한다. 도 4b는 인가된 신장 변형으로 인한 변형 센서(100)의 길이 증가(및 연장 또는 신장)을 도시한다. 도 4c는 반대로 인가된 신장 변형으로 인한 변형 센서(100)의 길이 감소(압축)을 도시한다.
도 5a는 어떠한 변형도 없는 변형 센서(100)를 도시한다. 도 5b는 인가된 신장 변형으로 인한 변형 센서(100)의 폭 증가(및 연장 또는 신장)을 도시한다. 도 5c는 반대로 인가된 신장 변형으로 인한 변형 센서(100)의 폭 감소(압축)을 도시한다. 일부 실시예에서, 변형 센서(100)는 도 4a-4c에 도시된 길이 방향을 따른 것보다 도 5a-5c에 도시된 폭 방향을 따른 변형에 덜 민감하다. 일부 실시예에서, 길이 및 폭 방향 모두를 따른 신장을 감지 및 구별하기 위하여, 도 7a-7c를 참조하여 더 설명되는 바와 같이, 변형 센서는 선택적으로 두 쌍의 스트레인 게이지 요소를 포함하고, 두 쌍은 서로 직각으로 정렬된다. 예를 들어, 도 7a에 도시된 바와 같이, 주 스트레인 게이지 쌍(110-a 및 120-a)은 부 스트레인 게이지 쌍(110-b 및 120-b)에 수직이다. 이러한 실시예에서, 변형 분석기(도 3a를 참조하여 설명됨)는 측정된 제1, 제2 및 제3 신호에 기반하여 신장 변형의 방향(예컨대, 도 7a-7c에 도시된 주 리드 쌍(110-a 및 120-a)의 길이를 따라, 또는 도 7a-7c에 도시된 부 리드 쌍(110-b 및 120-b)의 길이를 따라)을 결정한다. 따라서, 이 수직 U 쌍 구성에 연결될 때, 변형 분석기는 굽힘 방향을 추가로 구별한다. 제1 스트레인 게이지 쌍(110-a 및 120-a)은 각 길이를 따르는 제1 굽힘(또는 신장) 방향의 변형에 응답하고(각 저항의 변화를 통해), 제2 쌍(110-b 및 120-b)은 이 제1 굽힘 방향(또는 신장) 방향에 상대적으로 반응하지 않을 것이다. 반대로, 제2 스트레인 게이지 쌍(110-b 및 120-b)은 각 길이를 따르는 제2 굽힘(또는 신장) 방향의 변형에 응답하고(각 저항의 변화를 통해), 제1 쌍(110-b 및 120-b)은 이 제2 굽힘 방향(또는 신장) 방향에 상대적으로 반응하지 않을 것이다.
도 4a-4c 및 5a-5c의 구성으로 돌아오면, 일부 실시예에서, 변형 분석기는 측정된 제1, 제2 및 제3 신호에 기반하여 신장 변형의 크기를 계산한다. 예를 들어, 변형 분석기는 제1, 제2 및 제3 신호로부터 획득한 R1, R2 및 C 값에 기반하여 제1 또는 제2 스트레인 게이지 요소의 리드의 평균 길이 변화, 또는 제1 또는 제2 게이지의 주어진 리드 쌍의 리드들 간의 거리 변화를 계산할 수 있다.
예를 들어, 길이 신장(예컨대, 도 4b)의 경우, 신장의 크기는 수학식 1-5를 사용하여 계산된다.
한편, 폭 신장(예컨대, 도 5b)의 경우, 수학식 3 및 5를 사용하여 신장의 크기를 계산하도록 구성되는데, 저항 (R1 및 R2)의 변화는 폭 방향 신장에 대해 무시해도 될 정도이기 때문이다.
나아가, 변형 분석기는 측정된 제1, 제2 및 제3 신호를 비교함으로써 신장 변형이 압축 신장 또는 연장 신장에 대응하는지 여부를 결정할 수 있다. 예를 들어, 압축(예컨대, 도 4c)은 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소(110 및 120)의 길이를 감소시키고 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소(110 및 120) 간의 간격을 증가시키므로, 저항(R1 및 R2)의 변화 및 커패시턴스(C)의 변화를 야기한다.
도 6a-6c는 하나 이상의 실시예에 따른 변형 감지 장치에 인가되는 길이 방향 휨 변형(길이/치수(410)를 따라)을 도시한다.
도 6a는 어떠한 변형도 없는 변형 센서(100)를 도시한다. 도 6b는 인가된 휨 변형으로 인한 변형 센서(100)의 길이 방향 휨 변형(리드의 길이를 따르는 굽힘)을 도시하는데, 굽힘은 제2 요소(120)를 향한다. 도 6c는 반대로 인가된 휨 변형으로 인한 변형 센서(100)의 길이 방향 휨 변형(리드의 길이를 따르는 굽힘)을 도시하는데, 굽힘은 제1 요소(110)를 향한다.
도 7a-7c는 하나 이상의 실시예에 따른 두 수직 방향(710 및 720)(예컨대, 각각 길이 방향 대 폭 방향 변형)을 따르는 신장 또는 휨 변형을 검출 및 구별하기 위한 직교 스트레인 게이지 쌍을 포함하는 제1 수정된 변형 센서(700)를 도시한다. 예를 들어, 변형 센서(700)는 두 쌍의 스트레인 게이지 요소(주 스트레인 게이지 쌍(110-a 및 120-a) 및 부 스트레인 게이지 쌍(110-b 및 120-b))을 포함하고, 두 쌍은 서로 수직으로 정렬되고 직교 방향(각각 710 및 720)을 따르는 신장 및 휨 변형에 응답하여 각 신호를 생성하도록 구성된다.
도 7a는 어떠한 변형도 없는 변형 센서(700)를 도시한다. 도 7b는 인가된 휨 변형으로 인한 변형 센서(700)의 폭 방향 휨 변형(주 리드(110-a 및 120-b)의 길이에 수직인 방향/치수(720)를 따르나, 부 리드(110-b 및 120-b)의 길이를 따르는 굽힘)을 도시하는데, 굽힘은 제2 요소(120-b)를 향한다. 도 7c는 반대로 인가된 휨 변형으로 인한 변형 센서(700)의 폭 방향 휨 변형(주 리드(110-a 및 120-b)의 길이에 수직인 방향/치수(720)를 따르나, 부 리드(110-b 및 120-b)의 길이를 따르는 굽힘)을 도시하는데, 굽힘은 제1 요소(110-b)를 향한다.
일부 실시예에서, 변형 센서가 직교 스트레인 게이지 쌍(도 7a-7c에 도시된 것과 같은)을 포함할 때, 변형 분석기(예컨대, 도 3을 참조하여 설명됨)는 리드 쌍 각각으로부터 독립적으로 획득한 측정된 제1, 제2 및 제3 신호에 기반하여 휨 변형의 방향(예컨대, 휨이 도 6a-6c에 도시된 바와 같이 리드의 길이를 따르는지, 또는 도 7a-7c에 도시된 바와 같이 주 리드의 길이에 수직하며 부 리드의 길이를 따르는지 여부)을 결정한다.
나아가, 일부 실시예에서, 변형 분석기(예컨대, 도 3을 참조하여 설명됨)는 각 리드 쌍으로부터 독립적으로 획득한 제1, 제2 및 제3 신호(R1, R2 및 C를 나타냄)에 기반하여 휨 변형의 크기를 계산한다. 일부 경우에, 휨의 크기는 인가된 변형으로 인해 굽혀지는 탄성 기판의 굽혀진 표면에 의해 형성된 호에 대하는 평균 곡률 반경에 대응한다. 대안적으로, 휨의 크기는 인가된 변형으로 인해 굽혀지는 탄성 기판의 굽혀진 표면에 의해 형성된 호에 대하는 평균 각도에 대응한다.
다르게 말하면, 일부 실시예에서, 변형 감지 장치(예컨대, 제1 수정된 변형 센서(700))는 탄성 기판(130), 제1 스트레인 게이지 쌍(예컨대, 주 스트레인 게이지 쌍(110-a 및 120-a) 및 제2 스트레인 게이지 쌍(예컨대, 부 스트레인 게이지 쌍(110-b 및 120-b)을 포함한다.
제1 스트레인 게이지 쌍은 탄성 기판(130)의 제1 표면 상에 형성되고, 제1 방향(710)으로 인가된 스트레인에 응답하여 제1 신호(제1 스트레인 게이지 요소(110-a)의 저항을 나타냄)를 출력하도록 구성된 제1 스트레인 게이지 요소(110-a), 및 제1 표면과 대향하는 탄성 기판(130)의 제2 표면 상에 형성되고, 동일한 제1 방향(710)으로 인가된 스트레인에 응답하여 제2 신호(제2 스트레인 게이지 요소(120-a)의 저항을 나타냄)를 출력하도록 구성된 제2 스트레인 게이지 요소(120-a)를 포함한다. 변형 감지 장치(750)는 인가되는 스트레인에 응답하여 제3 신호(제1 및 제2 스트레인 게이지 요소(110-a 및 120-a) 간에 측정된 탄성 기판(130)의 커패시턴스를 나타냄)를 출력하도록 더 구성되는데, 제3 신호는 제1 스트레인 게이지 요소(110-a)의 단자와 제2 스트레인 게이지 요소(120-a)의 단자 간에 측정 가능하다.
제2 스트레인 게이지 쌍은 실질적으로 탄성 기판(130)의 제1 표면 상에 형성되고, 제2 방향(720)으로 인가된 스트레인에 응답하여 제4 신호(제3 스트레인 게이지 요소(110-b)의 저항을 나타냄)를 출력하도록 구성된 제3 스트레인 게이지 요소(110-b), 및 실질적으로 제1 표면과 대향하는 탄성 기판(130)의 제2 표면 상에 형성되고, 동일한 제2 방향(720)으로 인가된 스트레인에 응답하여 제5 신호(제4 스트레인 게이지 요소(120-b)의 저항을 나타냄)를 출력하도록 구성된 제4 스트레인 게이지 요소(120-b)를 포함한다. 변형 감지 장치(750)는 인가되는 스트레인에 응답하여 제6 신호(제3 및 제4 스트레인 게이지 요소(110-b 및 120-b) 간에 측정된 탄성 기판(130)의 커패시턴스를 나타냄)를 출력하도록 더 구성되는데, 제6 신호는 제3 스트레인 게이지 요소(110-b)의 단자와 제4 스트레인 게이지 요소(120-b)의 단자 간에 측정 가능하다.
일부 실시예에서, 제1 방향(710)은 제2 방향(720)과 직교하고, 제1 스트레인 게이지 쌍의 스트레인 게이지 요소(110-a 및 120-a) 및 제2 스트레인 게이지 쌍의 스트레인 게이지 요소(110-b 및 120-b)는 서로 직교한다.
이러한 실시예에서, 변형 분석기는 제1 및 제2 스트레인 게이지 쌍에서 검출된 제1, 제2, 제4 및 제5 신호의 크기를 비교함으로써 신장 변형의 방향을 제1 방향(710) 또는 제2 방향(720)의 신장으로 결정하도록 더 구성된다. 제1 방향(710)의 신장의 경우, 변형 분석기는 제1 및 제2 신호를 사용하여 신장의 크기를 계산하도록 구성되고, 제2 방향(720)의 신장의 경우, 변형 분석기는 제4 및 제5 신호를 사용하여 신장의 크기를 계산하도록 구성된다.
나아가, 이러한 실시예에서, 변형 분석기는 제1 및 제2 스트레인 게이지 쌍에서 검출된 제1, 제2, 제4 및 제5 신호의 크기를 비교함으로써 휨 변형의 방향을 제1 방향(710) 또는 제2 방향(720)의 굽힘으로 결정하도록 더 구성된다. 제1 방향(710)의 굽힘의 경우, 변형 분석기는 제1 및 제2 신호를 사용하여 굽힘의 크기를 계산하도록 구성되고, 제2 방향(720)의 굽힘의 경우, 변형 분석기는 제4 및 제5 신호를 사용하여 굽힘의 크기를 계산하도록 구성된다.
이러한 실시예에서, 길이 방향 굽힘 호(주 쌍(110-a 및 120-a)의 길이를 따라)의 경우, 휨의 크기는 주 스트레인 게이지 쌍(110-a 및 120-a)으로부터 획득한 제1, 제2 및 제3 신호에 적용되는 바와 같이 수학식 6-8을 사용하여 계산된다.
반대로, 폭 방향 굽힘 호(도 7b-7c에 도시된 바와 같이 부 쌍(110-b 및 120-b)의 길이를 따라)의 경우, 휨의 크기는 부 스트레인 게이지 쌍(110-b 및 120-b)으로부터 획득한 제4, 제5 및 제6 신호에 적용되는 바와 같이 수학식 6-8을 사용하여 계산된다.
나아가, 변형 분석기는 적절한 쌍의 스트레인 게이지(도 7a-7c의 경우 110-b 및 120-b)로부터 측정된 제1, 제2 및 제3 신호를 비교함으로써 휨 변형이 탄성 기판의 제1 표면을 향하는(110-b를 향하는) 굽힘 또는 탄성 기판의 제2 표면을 향하는(120-b를 향하는) 굽힘인지 여부를 결정하도록 더 구성된다. 예를 들어, 기판의 제1 표면을 향하는 휨의 경우, 저항(R1)은 감소하고(요소(110-b)의 길이 감소) 저항(R2)은 증가할 것이다(요소(120-b)의 길이 증가).
유사하게, 도 7a-7c의 구성(700)의 경우, 길이 방향 신장에 대하여, 신장의 크기는 주 스트레인 게이지 쌍(110-a 및 120-a)으로부터 측정된 신호(예컨대, 제1, 제2 및 제3 신호)에 적용되는 바와 같이 수학식 1-5를 사용하여 계산될 수 있다.
한편, 폭 방향 신장에 대하여, 변형 분석기는 부 스트레인 게이지 쌍(110-b 및 120-b)으로부터 측정된 신호(예컨대, 제4, 제5 및 제6 신호)에 적용되는 바와 같이 수학식 1-5를 사용하여 신장의 크기를 계산하도록 구성된다.
도 7d-7f는 하나 이상의 실시예에 따른 두 수직 방향(710 및 720)(예컨대, 각각 길이 방향 대 폭 방향 변형)을 따르는 신장 또는 휨 변형을 검출 및 구별하기 위한 직교 스트레인 게이지 요소(110-b 및 120-a)를 포함하는 제2 수정된 변형 센서(750)를 도시한다.
변형 감지 장치(예컨대, 제2 수정된 변형 센서(750))는 탄성 기판(130), 탄성 기판(130)의 제1 표면 상에 형성되고 제1 방향(710)으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제1 신호(제1 스트레인 게이지 요소(110-b)의 저항을 표시)를 출력하도록 구성된 제1 스트레인 게이지 요소(110-b), 및 제1 표면과 대향하는 탄성 기판(130)의 제2 표면 상에 형성되고 제2 방향(720)으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제2 신호(제2 스트레인 게이지 요소(120-a)의 저항을 표시)를 출력하도록 구성된 제2 스트레인 게이지 요소(120-a)를 포함한다. 변형 감지 장치(750)는 인가되는 스트레인에 응답하여 제3 신호(제1 및 제2 스트레인 게이지 요소(110-b 및 120-a) 간에 측정된 탄성 기판(130)의 커패시턴스를 나타냄)를 출력하도록 구성되는데, 제3 신호는 제1 스트레인 게이지 요소(110-b)의 단자와 제2 스트레인 게이지 요소(120-a)의 단자 간에 측정 가능하다. 제1 방향(710)은 제2 방향(720)에 직교한다. 제1 스트레인 게이지 요소(110-b) 및 제2 스트레인 게이지 요소(120-a)는 서로 직교한다.
이러한 실시예에서, 변형 분석기는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소(110-b 및 120-a)에서 검출된 제1 및 제2 신호의 크기를 비교함으로써 신장 변형의 방향을 제1 방향(710) 또는 제2 방향(720)의 신장으로 결정하도록 더 구성된다. 제1 방향(710)의 신장의 경우, 변형 분석기는 제1 및 제3 신호를 사용하여 신장의 크기를 계산하도록 구성되고, 제2 방향(720)의 신장의 경우, 변형 분석기는 제2 및 제3 신호를 사용하여 신장의 크기를 계산하도록 구성된다.
예를 들어, 제1 방향(710) 신장에 대하여, 신장의 크기는 제1 및 제2 스트레인 게이지(110-b 및 120-a)으로부터 측정된 제2 및 제3 신호로부터 측정된 신호에 적용되는 바와 같이 수학식 1-5를 사용하여 계산될 수 있다.
한편, 제2 방향(720) 신장에 대하여, 변형 분석기는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소(110-b 및 120-b)로부터 측정된 제2 및 제3 신호로부터 측정된 신호에 적용되는 바와 같이 수학식 1-5를 사용하여 신장의 크기를 계산하도록 구성된다.
나아가, 변형 분석기는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소(110-b 및 120-a)에서 검출된 제1 및 제2 신호의 크기를 비교함으로써 휨 변형의 방향을 제1 방향(710) 또는 제2 방향(720)의 굽힘으로 결정하도록 더 구성된다. 제1 방향(710)의 굽힘의 경우, 변형 분석기는 제1 및 제3 신호를 사용하여 굽힘의 크기를 계산하도록 구성되고, 제2 방향(720)의 굽힘의 경우, 변형 분석기는 제2 및 제3 신호를 사용하여 굽힘의 크기를 계산하도록 구성된다.
예를 들어, 제1 방향(710)을 따르는 폭 방향 굽힘 호(도 7b-7c에 도시된 바와 같이 제1 스트레인 게이지 요소(110-b)의 리드의 길이를 따라)의 경우, 휨의 크기는 제1 및 제2 스트레인 게이지 쌍(110-b 및 120-a)으로부터 획득한 제1 및 제3 신호에 적용되는 바와 같이 수학식 6-8을 사용하여 계산될 수 있다.
반대로, 제2 방향(720)을 따르는 폭 방향 굽힘 호(제2 스트레인 게이지 요소(120-a)의 리드의 길이를 따라)의 경우, 휨의 크기는 제1 및 제2 스트레인 게이지 쌍(110-b 및 120-a)으로부터 획득한 제2 및 제3 신호에 적용되는 바와 같이 수학식 6-8을 사용하여 계산된다.
도 8-11은 하나 이상의 실시예에 따른 하나 이상의 변형 감지 장치를 포함하는 웨어러블 시스템의 예시를 도시한다.
하나 이상의 실시예에서, 웨어러블 장치나 시스템은 하나 이상의 변형 센서(도 1-7을 참조하여 설명한 것과 같은)를 포함한다. 웨어러블 장치나 시스템은 측정 회로 및 변형 분석기(도 3을 참조하여 설명됨)도 포함할 수 있다. 대안적으로, 웨어러블 장치는 변형 센서(및 선택적으로 측정 회로)를 포함할 수 있고 제1, 제2 및 제3 신호는 원격(예컨대, 비-웨어러블) 시스템이나 장치로 송신될 수 있고, 원격 시스템이나 장치는 측정 회로 및/또는 변형 분석기를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 웨어러블 시스템 내부의 변형 센서의 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소 각각은 아치형 헤드와 아치형 헤드의 끝에서 연장되는 한 쌍의 긴 리드를 포함하는 말굽 모양을 가진다(도 3을 참조하여 설명한 바와 같은). 이러한 실시예에서, 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 형상의 정렬이 대응하고, 이들 정렬된 형상은 관절 조인트를 외접하거나 둘러싸도록 구성된다. 그 결과, 웨어러블 장치가 조인트 주위에 위치하거나 착용될 때, 조인트의 움직임은 변형 센서의 대응하는 변형 및 변형에 대응하는 제1, 제2 및 제3 신호의 생성을 낳는다. 그 후, 본 명세서에 서술된 접근법을 사용하여, 조인트의 신장 변형 및 휨 변형의 측정이 제1, 제2 및 제3 신호에 기반하여 결정될 수 있다.
일부 실시예에서, 웨어러블 장치는 얼굴의 일부 주위에 착용되는 웨어러블 헤드셋(예컨대, 도 8의)이다. 이에 대응하여, 말굽 스트레인 게이지(812, 814, 816)는 도 8에 도시된 바와 같이 실질적으로 눈의 소켓과 동심으로(외접하게) 또는 이마 및 뺨 뼈의 일부와 정렬되도록 배열되므로, 이들 부분의 움직임을 구별을 위해 감지한다.
일부 실시예에서, 웨어러블 장치는 손 주위에 착용되는 장갑(예컨대, 도 9의) 또는 손가락이나 손목 위에 착용되는 커버(예컨대, 골무 또는 보호 밴드)이다. 이에 대응하여, 장치가 손가락이나 손목 주위에 착용될 때 말굽 스트레인 게이지는 실질적으로 하나 이상의 손가락(914-a, 914-b, 916-a, 916-b)의 조인트나 손목 조인트(910 및 912)와 동심으로 배열된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 말굽 스트레인 게이지는 조인트의 위, 아래 또는 옆에 배열된다.
일부 실시예에서, 웨어러블 장치는 무릎, 팔꿈치, 발목 또는 어깨 조인트 위에 착용되는 보조기(예컨대, 도 10의)이다. 이에 대응하여, 말굽 스트레인 게이지의 호는 실질적으로 무릎(1014), 팔꿈치, 발목 또는 어깨 조인트와 동심으로 배열될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 말굽 스트레인 게이지는 조인트의 위(1012), 아래(1016) 또는 옆(1016)에 배열될 수 있다.
일부 실시예에서, 웨어러블 장치는 목이나 몸통 부분(예컨대, 도 11에 도시된 바와 같이 가슴, 등 또는 허리) 위에 착용되는 지지 보조기이다. 이에 대응하여, 말굽 스트레인 게이지는 목이나 몸통 파트의 윤곽을 따르도록 배열된다(예컨대, 1112나 1114).
도 12는 하나 이상의 실시예에 따른 본 명세서에 개시되는 변형 감지 장치를 사용하여 변형을 감지하는 방법(1200)을 도시하는 흐름도를 포함한다. 방법은, 인가되는 변형에 응답하여, 단계(1210-1230)을 수행하는 것을 포함한다. 방법은, 변형 센서(예컨대, 변형 센서(110))의 탄성 기판(예컨대, 도 1-7을 참조하여 서술된 기판(130))의 제1 표면 상에 형성된 제1 스트레인 게이지 요소(예컨대, 도 1-7을 참조하여 서술된 요소(110))로부터의 제1 신호를 측정하는 단계(1210)를 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 저항(예컨대, R1 또는 저항 변화 ΔR1)을 나타낸다.
방법은 변형 센서의 탄성 기판의 제2 표면 상에 형성된 제2 스트레인 게이지 요소(예컨대, 도 1-7을 참조하여 서술된 요소(120))로부터의 제2 신호를 측정하는 단계(1220)를 포함한다. 일부 실시예에서, 제2 신호는 제2 스트레인 게이지 요소의 저항(예컨대, R2 또는 저항 변화 ΔR2)을 나타낸다.
방법은 제1 스트레인 게이지 요소 및 제2 스트레인 게이지 요소 간의 제3 신호를 측정하는 단계(1230)를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 제3 신호는 인가된 변형에 응답하여 측정된 탄성 기판에 걸친 커패시턴스(C 또는 커패시턴스 변화 ΔC)를 나타낸다.
방법은 제1 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제2 신호 및 제3 신호에 기반하여, 인가되는 변형에서, 변형 센서의 신장 변형의 측정치(방향 및/또는 크기) 및 휨 변형의 측정치(방향 및/또는 크기)를 계산하는 단계(1240)를 더 포함한다.
전술한 실시예의 설명은 예시의 목적으로 제시되었을 뿐, 배타적이거나 개시된 구체적인 형태로 실시예를 제한하고자 하는 것은 아니다. 당업자는 상술한 명세서의 관점에서 많은 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있다. 본 명세서에 사용된 언어는 가독성과 지시의 목적을 위해 원칙적으로 선택된 것으로서 발명의 대상을 제한하거나 한정하도록 선택된 것이 아니다. 따라서, 실시예의 범위는 본 명세서에 의해서가 아니라 본 명세서를 기초로 출원된 임의의 청구범위들에 의해 한정되는 것으로 의도된다. 따라서, 실시예들에 관한 설명은 하기의 청구범위에 제시된 실시예의 범위의 예시가 되지만, 이에 제한되지는 않아야 한다.

Claims (39)

  1. 탄성 기판;
    탄성 기판의 제1 표면 상에 형성되고, 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제1 신호를 출력하도록 구성되는 제1 스트레인 게이지 요소; 및
    제1 표면과 대향하는 탄성 기판의 제2 표면 상에 형성되고, 동일한 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제2 신호를 출력하도록 구성되는 제2 스트레인 게이지 요소를 포함하는 변형 감지 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제1 스트레인 게이지 요소는 두 별개의 단자인 제1 단자 및 제2 단자를 가지고;
    제1 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 제1 및 제2 단자에 걸쳐 측정 가능하고;
    제2 스트레인 게이지 요소는 두 별개의 단자인 제3 단자 및 제4 단자를 가지고; 및
    제2 신호는 제2 스트레인 게이지 요소의 제3 및 제4 단자에 걸쳐 측정 가능한 변형 감지 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    탄성 기판은 가요성, 전기적 절연 유전 물질을 포함하고; 및
    변형 감지 장치는 인가되는 변형에 응답하여 제3 신호를 출력하도록 구성되고, 제3 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 단자와 제2 스트레인 게이지 요소의 단자 간에 측정 가능한 변형 감지 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    인가되는 변형에 응답하여 제1 스트레인 게이지 요소로부터의 제1 신호와 제2 스트레인 게이지 요소로부터의 제2 신호를 측정하도록 구성되는 측정 회로; 및
    제1 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제2 신호 및 제3 신호에 기반하여, 인가되는 변형에서 감지 장치의 신장 변형 및 휨 변형을 계산하도록 구성되는 변형 분석기를 더 포함하는 변형 감지 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    제1 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 제1 저항을 나타내고;
    제2 신호는 제2 스트레인 게이지 요소의 제2 저항을 나타내고; 및
    제3 신호는 인가되는 변형에 응답하여 측정되는 탄성 기판에 걸친 커패시턴스를 나타내는 변형 감지 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    변형 분석기는 다음 식을 이용하여 제1, 제2 및 제3 신호에 기반하여 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 길이 변화의 비율((ΔL)/L0)로 신장 변형의 측정치를 계산하고:
    Figure pct00013

    Figure pct00014

    이 때, R1은 제1 저항, R2는 제2 저항, C는 커패시턴스이고, 및
    Area는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소 간의 오버랩이고,
    GF는 스트레인 및 저항에 관련된 게이지 팩터이고,
    γ는 축 사이의 변형에 관련된 탄성 기판의 포아송 비(Poisson’s Ratio)이고,
    L0는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 변형되지 않은 길이이고,
    ΔL, ΔL1, ΔL2는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 길이 변화이고,
    W0는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 변형되지 않은 길이이고,
    ε은 탄성 기판의 유전 상수이고,
    R0는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 베이스라인 저항이고,
    g, g0는 각각 탄성 기판의 변형된 및 베이스라인 폭인 변형 감지 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    변형 분석기는 다음 식을 이용하여 제1, 제2 및 제3 신호에 기반하여 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 굽힘 반경으로 휨 변형의 측정치를 계산하고:
    Figure pct00015

    Figure pct00016

    이 때, R1은 제1 저항, R2는 제2 저항이고, 및
    GF는 스트레인 및 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 저항과 관련된 게이지 팩터이고,
    γ는 축 사이의 변형에 관련된 탄성 기판의 포아송 비이고,
    L0는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 변형되지 않은 길이이고,
    ΔL1, ΔL2는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 길이 변화이고,
    R0는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 베이스라인 저항이고,
    g는 탄성 기판의 변형된 폭이고, 및
    ρ1 및 ρ2는 탄성 기판의 제1 및 제2 표면의 굽힘 반경인 변형 감지 장치.
  8. 청구항 3에 있어서,
    제1 및 제2 스트레인 게이지 요소 각각은 아치형 헤드 및 아치형 헤드의 끝에서 연장하는 한 쌍의 긴 리드를 포함하는 말굽 모양을 가지고;
    제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 형상의 정렬은 탄성 기판의 제1 및 제2 표면에 직교하는 축을 따라 대응하고;
    제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 중심축은 평행하게 정렬되며 탄성 기판의 제1 및 제2 표면에 직교하는 면을 따라 서로 동일 평면이고; 및
    제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 한 쌍의 긴 리드의 대응하는 리드는 각각 길이 방향으로 평행하고 실질적으로 동일 치수를 가지는 변형 감지 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    측정 회로는 인가되는 변형에 응답하여 제1 스트레인 게이지 요소로부터의 제1 신호 및 제2 스트레인 게이지 요소로부터의 제2 신호를 측정하도록 구성되고; 및
    변형 분석기는 제1 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제2 신호 및 제3 신호에 기반하여 인가되는 변형에서 감지 장치의 신장 변형 및 휨 변형을 계산하도록 구성되는 변형 감지 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    신장 변형의 측정치는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 변형되지 않은 길이와 관련된 평균 길이 변화를 나타내고; 및
    휨 변형의 측정치는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소가 형성된 탄성 기판의 표면의 각진 굽힘의 굽힘 반경을 나타내는 변형 감지 장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    변형 분석기는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 저항 변화의 신호 및 탄성 기판의 커패시턴스 변화의 신호에 기반하여, 측정된 제1, 제2 및 제3 신호를 비교함으로써, 신장 변형이 압축 신장 또는 연장 신장에 대응되는지 여부를 결정하도록 더 구성되는 변형 감지 장치.
  12. 탄성 기판;
    제1 스트레인 게이지 쌍으로서:
    탄성 기판의 제1 표면 상에 형성되고, 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제1 신호를 출력하도록 구성되는 제1 스트레인 게이지 요소, 및
    제1 표면과 대향하는 탄성 기판의 제2 표면 상에 형성되고, 동일한 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제2 신호를 출력하도록 구성되는 제2 스트레인 게이지 요소를 포함하고,
    변형 감지 장치는 인가되는 변형에 응답하여 제3 신호를 출력하도록 구성되고, 제3 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 단자와 제2 스트레인 게이지 요소의 단자 간에 측정 가능한 제1 스트레인 게이지 쌍;
    제2 스트레인 게이지 쌍으로서:
    실질적으로 탄성 기판의 제1 표면 상에 형성되고, 제2 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제4 신호를 출력하도록 구성되는 제3 스트레인 게이지 요소, 및
    실질적으로 제1 표면과 대향하는 탄성 기판의 제2 표면 상에 형성되고, 동일한 제2 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제5 신호를 출력하도록 구성되는 제4 스트레인 게이지 요소를 포함하고,
    변형 감지 장치는 인가되는 변형에 응답하여 제6 신호를 출력하도록 구성되고, 제6 신호는 제3 스트레인 게이지 요소의 단자와 제4 스트레인 게이지 요소의 단자 간에 측정 가능한 제2 스트레인 게이지 쌍을 포함하고,
    제1 방향은 제2 방향과 직교하고,
    제1 스트레인 게이지 쌍의 스트레인 게이지 요소 및 제2 스트레인 게이지 쌍의 스트레인 게이지 요소는 서로 직교하는 변형 감지 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    인가되는 변형에 응답하여 제1 스트레인 게이지 요소로부터의 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터의 제2 신호, 제3 스트레인 게이지 요소로부터의 제4 신호 및 제4 스트레인 게이지 요소로부터의 제5 신호를 측정하도록 구성되는 측정 회로; 및
    제1 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제2 신호, 제3 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제4 신호 및 제4 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제5 신호에 기반하여, 제1 및 제2 방향의 감지 장치의 신장 변형 및 휨 변형을 각각 계산하도록 구성되는 변형 분석기를 더 포함하는 변형 감지 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    변형 분석기는 제1 및 제2 스트레인 게이지 쌍으로부터 검출된 제1, 제2, 제4 및 제5 신호의 크기를 비교함으로써 신장 변형의 방향이 제1 방향 또는 제2 방향의 신장인지 결정하도록 더 구성되고;
    제1 방향의 신장의 경우, 변형 분석기는 제1 및 제2 신호를 사용하여 신장의 크기를 계산하도록 구성되고; 및
    제2 방향의 신장의 경우, 변형 분석기는 제4 및 제5 신호를 사용하여 신장의 크기를 계산하도록 구성되는 변형 감지 장치.
  15. 청구항 13에 있어서,
    변형 분석기는 측정된 제1, 제2, 제4 및 제5 신호에 기반하여 휨 변형의 크기 및 휨 변형의 방향을 결정하도록 더 구성되는 변형 감지 장치.
  16. 청구항 13에 있어서,
    변형 분석기는 제1 및 제2 스트레인 게이지 쌍으로부터 검출된 제1, 제2, 제4 및 제5 신호의 크기를 비교함으로써 휨 변형의 방향이 제1 방향 또는 제2 방향의 굽힘인지 결정하도록 더 구성되고;
    제1 방향의 굽힘의 경우, 변형 분석기는 제1 및 제2 신호를 사용하여 굽힘의 크기를 계산하도록 구성되고; 및
    제2 방향의 굽힘의 경우, 변형 분석기는 제4 및 제5 신호를 사용하여 굽힘의 크기를 계산하도록 구성되는 변형 감지 장치.
  17. 청구항 13에 있어서,
    변형 분석기는 측정된 제1, 제2, 제4 및 제5 신호에 기반하여, 휨 변형이 탄성 기판의 제1 표면을 향한 굽힘 또는 탄성 기판의 제2 표면을 향한 굽힘에 대응하는지 여부를 결정하도록 더 구성되는 변형 감지 장치.
  18. 탄성 기판;
    탄성 기판의 제1 표면 상에 형성되고, 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제1 신호를 출력하도록 구성되는 제1 스트레인 게이지 요소; 및
    제1 표면과 대향하는 탄성 기판의 제2 표면 상에 형성되고, 제2 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제2 신호를 출력하도록 구성되는 제2 스트레인 게이지 요소를 포함하고,
    변형 감지 장치는 인가되는 변형에 응답하여 제3 신호를 출력하도록 구성되고, 제3 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 단자와 제2 스트레인 게이지 요소의 단자 간에 측정 가능하고,
    제1 방향은 제2 방향과 직교하고,
    제1 스트레인 게이지 요소 및 제2 스트레인 게이지 요소는 서로 직교하는 변형 감지 장치.
  19. 청구항 18에 있어서,
    인가되는 변형에 응답하여 제1 스트레인 게이지 요소로부터의 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터의 제2 신호 및 제3 신호를 측정하도록 구성되는 측정 회로; 및
    제1 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제2 신호 및 측정된 제3 신호에 기반하여, 제1 및 제2 방향의 감지 장치의 신장 변형 및 휨 변형을 각각 계산하도록 구성되는 변형 분석기를 더 포함하는 변형 감지 장치.
  20. 청구항 19에 있어서,
    변형 분석기는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소로부터 검출된 제1 및 제2 신호의 크기를 비교함으로써 신장 변형의 방향이 제1 방향 또는 제2 방향의 신장인지 결정하도록 더 구성되고;
    제1 방향의 신장의 경우, 변형 분석기는 제1 및 제3 신호를 사용하여 신장의 크기를 계산하도록 구성되고; 및
    제2 방향의 신장의 경우, 변형 분석기는 제2 및 제3 신호를 사용하여 신장의 크기를 계산하도록 구성되는 변형 감지 장치.
  21. 청구항 19에 있어서,
    변형 분석기는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소로부터 검출된 제1 및 제2 신호의 크기를 비교함으로써 휨 변형의 방향이 제1 방향 또는 제2 방향의 굽힘인지 결정하도록 더 구성되고;
    제1 방향의 굽힘의 경우, 변형 분석기는 제1 및 제3 신호를 사용하여 굽힘의 크기를 계산하도록 구성되고; 및
    제2 방향의 굽힘의 경우, 변형 분석기는 제2 및 제3 신호를 사용하여 굽힘의 크기를 계산하도록 구성되는 변형 감지 장치.
  22. 하나 이상의 변형 센서를 포함하는 웨어러블 장치로서, 각 변형 센서는:
    가요성, 전기 절연 유전 물질을 포함하는 탄성 기판;
    탄성 기판의 제1 표면 상에 형성되고, 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제1 신호를 출력하도록 구성되는 제1 스트레인 게이지 요소; 및
    제1 표면과 대향하는 탄성 기판의 제2 표면 상에 형성되고, 동일한 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제2 신호를 출력하도록 구성되는 제2 스트레인 게이지 요소를 포함하고,
    변형 센서는 인가되는 변형에 응답하여 제3 신호를 출력하도록 구성되고, 제3 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 제1 및 제2 단자 중 하나와 제2 스트레인 게이지 요소의 제3 및 제4 단자 중 하나 간에 측정 가능하고;
    측정 회로는 인가되는 변형에 응답하여 제1 스트레인 게이지 요소로부터의 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터의 제2 신호를 측정하도록 구성되고; 및
    변형 분석기는 제1 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제2 신호 및 제3 신호에 기반하여, 인가되는 변형에서 감지 장치의 신장 변형 및 휨 변형을 계산하도록 구성되는 웨어러블 장치.
  23. 청구항 22에 있어서,
    웨어러블 장치 내의 변형 센서의 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소 각각은 아치형 헤드 및 아치형 헤드의 끝에서 연장하는 한 쌍의 긴 리드를 포함하는 말굽 모양을 가지고;
    제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 형상의 정렬은 대응하고 형상은 관절 조인트를 외접하도록 구성되고, 조인트의 움직임은 변형 센서의 대응하는 변형을 야기하는 웨어러블 장치.
  24. 인가되는 변형에 응답하여:
    변형 센서의 탄성 기판의 제1 표면 상에 형성되는 제1 스트레인 게이지 요소로부터 제1 신호를 측정하는 단계;
    변형 센서의 탄성 기판의 제2 표면 상에 형성되는 제2 스트레인 게이지 요소로부터 제2 신호를 측정하는 단계;
    제1 스트레인 게이지 및 제2 스트레인 게이지 간의 제3 신호를 측정하는 단계; 및
    제1 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제2 신호 및 제3 신호에 기반하여, 인가되는 변형에서 변형 센서의 신장 변형의 측정치 및 휨 변형의 측정치를 계산하는 단계를 포함하고,
    제1 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 저항을 나타내고,
    제2 신호는 제2 스트레인 게이지 요소의 저항을 나타내고,
    제3 신호는 인가되는 변형에 응답하여 측정되는 탄성 기판에 걸친 커패시턴스를 나타내는 변형 센서의 변형을 감지하는 방법.
  25. 탄성 기판;
    탄성 기판의 제1 표면 상에 형성되고, 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제1 신호를 출력하도록 구성되는 제1 스트레인 게이지 요소; 및
    제1 표면과 대향하는 탄성 기판의 제2 표면 상에 형성되고, 동일한 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제2 신호를 출력하도록 구성되는 제2 스트레인 게이지 요소를 포함하는 변형 감지 장치.
  26. 청구항 25에 있어서,
    제1 스트레인 게이지 요소는 두 별개의 단자인 제1 단자 및 제2 단자를 가지고;
    제1 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 제1 및 제2 단자에 걸쳐 측정 가능하고;
    제2 스트레인 게이지 요소는 두 별개의 단자인 제3 단자 및 제4 단자를 가지고; 및
    제2 신호는 제2 스트레인 게이지 요소의 제3 및 제4 단자에 걸쳐 측정 가능하고; 및/또는
    바람직하게는:
    탄성 기판은 가요성, 전기적 절연 유전 물질을 포함하고; 및
    변형 감지 장치는 인가되는 변형에 응답하여 제3 신호를 출력하도록 구성되고, 제3 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 단자와 제2 스트레인 게이지 요소의 단자 간에 측정 가능하고;
    또한 바람직하게는:
    인가되는 변형에 응답하여 제1 스트레인 게이지 요소로부터의 제1 신호와 제2 스트레인 게이지 요소로부터의 제2 신호를 측정하도록 구성되는 측정 회로; 및
    제1 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제2 신호 및 제3 신호에 기반하여, 인가되는 변형에서 감지 장치의 신장 변형 및 휨 변형을 계산하도록 구성되는 변형 분석기를 더 포함하는 변형 감지 장치.
  27. 청구항 25 또는 청구항 26에 있어서,
    제1 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 제1 저항을 나타내고;
    제2 신호는 제2 스트레인 게이지 요소의 제2 저항을 나타내고; 및
    제3 신호는 인가되는 변형에 응답하여 측정되는 탄성 기판에 걸친 커패시턴스를 나타내는 변형 감지 장치.
  28. 청구항 26 또는 청구항 27에 있어서,
    변형 분석기는 다음 식을 이용하여 제1, 제2 및 제3 신호에 기반하여 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 길이 변화의 비율((ΔL)/L0)로 신장 변형의 측정치를 계산하고:
    Figure pct00017

    Figure pct00018

    이 때, R1은 제1 저항, R2는 제2 저항, C는 커패시턴스이고, 및
    Area는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소 간의 오버랩이고,
    GF는 스트레인 및 저항에 관련된 게이지 팩터이고,
    γ는 축 사이의 변형에 관련된 탄성 기판의 포아송 비(Poisson’s Ratio)이고,
    L0는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 변형되지 않은 길이이고,
    ΔL, ΔL1, ΔL2는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 길이 변화이고,
    W0는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 변형되지 않은 길이이고,
    ε은 탄성 기판의 유전 상수이고,
    R0는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 베이스라인 저항이고,
    g, g0는 각각 탄성 기판의 변형된 및 베이스라인 폭이고; 및/또는
    변형 분석기는 다음 식을 이용하여 제1, 제2 및 제3 신호에 기반하여 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 굽힘 반경으로 휨 변형의 측정치를 계산하고:
    Figure pct00019

    Figure pct00020

    이 때, R1은 제1 저항, R2는 제2 저항이고, 및
    GF는 스트레인 및 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 저항과 관련된 게이지 팩터이고,
    γ는 축 사이의 변형에 관련된 탄성 기판의 포아송 비이고,
    L0는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 변형되지 않은 길이이고,
    ΔL1, ΔL2는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 길이 변화이고,
    R0는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 베이스라인 저항이고,
    g는 탄성 기판의 변형된 폭이고, 및
    ρ1 및 ρ2는 탄성 기판의 제1 및 제2 표면의 굽힘 반경인 변형 감지 장치.
  29. 청구항 25 내지 청구항 28 중 어느 하나의 항에 있어서,
    제1 및 제2 스트레인 게이지 요소 각각은 아치형 헤드 및 아치형 헤드의 끝에서 연장하는 한 쌍의 긴 리드를 포함하는 말굽 모양을 가지고;
    제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 형상의 정렬은 탄성 기판의 제1 및 제2 표면에 직교하는 축을 따라 대응하고;
    제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 중심축은 평행하게 정렬되며 탄성 기판의 제1 및 제2 표면에 직교하는 면을 따라 서로 동일 평면이고; 및
    제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 한 쌍의 긴 리드의 대응하는 리드는 각각 길이 방향으로 평행하고 실질적으로 동일 치수를 가지는 변형 감지 장치.
  30. 청구항 26 내지 청구항 29 중 어느 하나의 항에 있어서,
    측정 회로는 인가되는 변형에 응답하여 제1 스트레인 게이지 요소로부터의 제1 신호 및 제2 스트레인 게이지 요소로부터의 제2 신호를 측정하도록 구성되고; 및
    변형 분석기는 제1 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제2 신호 및 제3 신호에 기반하여 인가되는 변형에서 감지 장치의 신장 변형 및 휨 변형을 계산하도록 구성되고;
    바람직하게는:
    신장 변형의 측정치는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 변형되지 않은 길이와 관련된 평균 길이 변화를 나타내고; 및
    휨 변형의 측정치는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소가 형성된 탄성 기판의 표면의 각진 굽힘의 굽힘 반경을 나타내고; 및/또는
    바람직하게는 변형 분석기는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 저항 변화의 신호 및 탄성 기판의 커패시턴스 변화의 신호에 기반하여, 측정된 제1, 제2 및 제3 신호를 비교함으로써, 신장 변형이 압축 신장 또는 연장 신장에 대응되는지 여부를 결정하도록 더 구성되는 변형 감지 장치.
  31. 탄성 기판;
    제1 스트레인 게이지 쌍으로서:
    탄성 기판의 제1 표면 상에 형성되고, 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제1 신호를 출력하도록 구성되는 제1 스트레인 게이지 요소, 및
    제1 표면과 대향하는 탄성 기판의 제2 표면 상에 형성되고, 동일한 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제2 신호를 출력하도록 구성되는 제2 스트레인 게이지 요소를 포함하고,
    변형 감지 장치는 인가되는 변형에 응답하여 제3 신호를 출력하도록 구성되고, 제3 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 단자와 제2 스트레인 게이지 요소의 단자 간에 측정 가능한 제1 스트레인 게이지 쌍;
    제2 스트레인 게이지 쌍으로서:
    실질적으로 탄성 기판의 제1 표면 상에 형성되고, 제2 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제4 신호를 출력하도록 구성되는 제3 스트레인 게이지 요소, 및
    실질적으로 제1 표면과 대향하는 탄성 기판의 제2 표면 상에 형성되고, 동일한 제2 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제5 신호를 출력하도록 구성되는 제4 스트레인 게이지 요소를 포함하고,
    변형 감지 장치는 인가되는 변형에 응답하여 제6 신호를 출력하도록 구성되고, 제6 신호는 제3 스트레인 게이지 요소의 단자와 제4 스트레인 게이지 요소의 단자 간에 측정 가능한 제2 스트레인 게이지 쌍을 포함하고,
    제1 방향은 제2 방향과 직교하고,
    제1 스트레인 게이지 쌍의 스트레인 게이지 요소 및 제2 스트레인 게이지 쌍의 스트레인 게이지 요소는 서로 직교하는 변형 감지 장치.
  32. 청구항 31에 있어서,
    인가되는 변형에 응답하여 제1 스트레인 게이지 요소로부터의 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터의 제2 신호, 제3 스트레인 게이지 요소로부터의 제4 신호 및 제4 스트레인 게이지 요소로부터의 제5 신호를 측정하도록 구성되는 측정 회로; 및
    제1 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제2 신호, 제3 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제4 신호 및 제4 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제5 신호에 기반하여, 제1 및 제2 방향의 감지 장치의 신장 변형 및 휨 변형을 각각 계산하도록 구성되는 변형 분석기를 더 포함하는 변형 감지 장치.
  33. 청구항 32에 있어서,
    변형 분석기는 제1 및 제2 스트레인 게이지 쌍으로부터 검출된 제1, 제2, 제4 및 제5 신호의 크기를 비교함으로써 신장 변형의 방향이 제1 방향 또는 제2 방향의 신장인지 결정하도록 더 구성되고;
    제1 방향의 신장의 경우, 변형 분석기는 제1 및 제2 신호를 사용하여 신장의 크기를 계산하도록 구성되고; 및
    제2 방향의 신장의 경우, 변형 분석기는 제4 및 제5 신호를 사용하여 신장의 크기를 계산하도록 구성되고; 및/또는
    바람직하게는:
    변형 분석기는 측정된 제1, 제2, 제4 및 제5 신호에 기반하여 휨 변형의 크기 및 휨 변형의 방향을 결정하도록 더 구성되고; 및/또는
    바람직하게는:
    변형 분석기는 제1 및 제2 스트레인 게이지 쌍으로부터 검출된 제1, 제2, 제4 및 제5 신호의 크기를 비교함으로써 휨 변형의 방향이 제1 방향 또는 제2 방향의 굽힘인지 결정하도록 더 구성되고;
    제1 방향의 굽힘의 경우, 변형 분석기는 제1 및 제2 신호를 사용하여 굽힘의 크기를 계산하도록 구성되고; 및
    제2 방향의 굽힘의 경우, 변형 분석기는 제4 및 제5 신호를 사용하여 굽힘의 크기를 계산하도록 구성되고; 및/또는
    바람직하게는 변형 분석기는 측정된 제1, 제2, 제4 및 제5 신호에 기반하여, 휨 변형이 탄성 기판의 제1 표면을 향한 굽힘 또는 탄성 기판의 제2 표면을 향한 굽힘에 대응하는지 여부를 결정하도록 더 구성되는 변형 감지 장치.
  34. 탄성 기판;
    탄성 기판의 제1 표면 상에 형성되고, 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제1 신호를 출력하도록 구성되는 제1 스트레인 게이지 요소; 및
    제1 표면과 대향하는 탄성 기판의 제2 표면 상에 형성되고, 제2 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제2 신호를 출력하도록 구성되는 제2 스트레인 게이지 요소를 포함하고,
    변형 감지 장치는 인가되는 변형에 응답하여 제3 신호를 출력하도록 구성되고, 제3 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 단자와 제2 스트레인 게이지 요소의 단자 간에 측정 가능하고,
    제1 방향은 제2 방향과 직교하고,
    제1 스트레인 게이지 요소 및 제2 스트레인 게이지 요소는 서로 직교하는 변형 감지 장치.
  35. 청구항 34에 있어서,
    인가되는 변형에 응답하여 제1 스트레인 게이지 요소로부터의 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터의 제2 신호 및 제3 신호를 측정하도록 구성되는 측정 회로; 및
    제1 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제2 신호 및 측정된 제3 신호에 기반하여, 제1 및 제2 방향의 감지 장치의 신장 변형 및 휨 변형을 각각 계산하도록 구성되는 변형 분석기를 더 포함하는 변형 감지 장치.
  36. 청구항 35에 있어서,
    변형 분석기는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소로부터 검출된 제1 및 제2 신호의 크기를 비교함으로써 신장 변형의 방향이 제1 방향 또는 제2 방향의 신장인지 결정하도록 더 구성되고;
    제1 방향의 신장의 경우, 변형 분석기는 제1 및 제3 신호를 사용하여 신장의 크기를 계산하도록 구성되고; 및
    제2 방향의 신장의 경우, 변형 분석기는 제2 및 제3 신호를 사용하여 신장의 크기를 계산하도록 구성되고; 및/또는
    바람직하게는:
    변형 분석기는 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소로부터 검출된 제1 및 제2 신호의 크기를 비교함으로써 휨 변형의 방향이 제1 방향 또는 제2 방향의 굽힘인지 결정하도록 더 구성되고;
    제1 방향의 굽힘의 경우, 변형 분석기는 제1 및 제3 신호를 사용하여 굽힘의 크기를 계산하도록 구성되고; 및
    제2 방향의 굽힘의 경우, 변형 분석기는 제2 및 제3 신호를 사용하여 굽힘의 크기를 계산하도록 구성되는 변형 감지 장치.
  37. 하나 이상의 변형 센서를 포함하는 웨어러블 장치로서, 각 변형 센서는:
    가요성, 전기 절연 유전 물질을 포함하는 탄성 기판;
    탄성 기판의 제1 표면 상에 형성되고, 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제1 신호를 출력하도록 구성되는 제1 스트레인 게이지 요소; 및
    제1 표면과 대향하는 탄성 기판의 제2 표면 상에 형성되고, 동일한 제1 방향으로 인가되는 스트레인에 응답하여 제2 신호를 출력하도록 구성되는 제2 스트레인 게이지 요소를 포함하고,
    변형 센서는 인가되는 변형에 응답하여 제3 신호를 출력하도록 구성되고, 제3 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 제1 및 제2 단자 중 하나와 제2 스트레인 게이지 요소의 제3 및 제4 단자 중 하나 간에 측정 가능하고,
    측정 회로는 인가되는 변형에 응답하여 제1 스트레인 게이지 요소로부터의 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터의 제2 신호를 측정하도록 구성되고; 및
    변형 분석기는 제1 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제2 신호 및 제3 신호에 기반하여, 인가되는 변형에서 감지 장치의 신장 변형 및 휨 변형을 계산하도록 구성되는 웨어러블 장치.
  38. 청구항 37에 있어서,
    웨어러블 장치 내의 변형 센서의 제1 및 제2 스트레인 게이지 요소 각각은 아치형 헤드 및 아치형 헤드의 끝에서 연장하는 한 쌍의 긴 리드를 포함하는 말굽 모양을 가지고;
    제1 및 제2 스트레인 게이지 요소의 형상의 정렬은 대응하고 형상은 관절 조인트를 외접하도록 구성되고, 조인트의 움직임은 변형 센서의 대응하는 변형을 야기하는 웨어러블 장치.
  39. 인가되는 변형에 응답하여:
    변형 센서의 탄성 기판의 제1 표면 상에 형성되는 제1 스트레인 게이지 요소로부터 제1 신호를 측정하는 단계;
    변형 센서의 탄성 기판의 제2 표면 상에 형성되는 제2 스트레인 게이지 요소로부터 제2 신호를 측정하는 단계;
    제1 스트레인 게이지 및 제2 스트레인 게이지 간의 제3 신호를 측정하는 단계; 및
    제1 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제1 신호, 제2 스트레인 게이지 요소로부터 측정된 제2 신호 및 제3 신호에 기반하여, 인가되는 변형에서 변형 센서의 신장 변형의 측정치 및 휨 변형의 측정치를 계산하는 단계를 포함하고,
    제1 신호는 제1 스트레인 게이지 요소의 저항을 나타내고,
    제2 신호는 제2 스트레인 게이지 요소의 저항을 나타내고,
    제3 신호는 인가되는 변형에 응답하여 측정되는 탄성 기판에 걸친 커패시턴스를 나타내는 변형 센서의 변형을 감지하는 방법.
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