KR20190003907A - 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서, 센서 어레이 기판 및 이를 이용한 신발 안창 - Google Patents

수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서, 센서 어레이 기판 및 이를 이용한 신발 안창 Download PDF

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KR20190003907A KR1020170083782A KR20170083782A KR20190003907A KR 20190003907 A KR20190003907 A KR 20190003907A KR 1020170083782 A KR1020170083782 A KR 1020170083782A KR 20170083782 A KR20170083782 A KR 20170083782A KR 20190003907 A KR20190003907 A KR 20190003907A
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Abstract

본 발명은 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서에 관한 것으로서, 변형부재와, 기준 전극과, 주변 전극을 포함한다. 변형부재는 전기 전도성을 가지며, 수직력 또는 전단력이 가해지면 변형될 수 있도록 탄성 재질로 형성된다. 기준 전극은 변형부재와 전기적으로 연결되도록 배치된다. 복수의 주변 전극은 변형부재의 외측에서 서로 이격되게 배치되고, 변형부재에 수직력 또는 전단력이 가해지면 변형부재가 변형되는 변형량에 따라 변형부재와의 접촉면적이 변경된다. 본 발명은 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서는 기준 전극과 주변 전극 사이에서 검출되고 변형부재와 주변 전극의 접촉면적에 대응하는 전기적 신호를 이용하여 가해지는 수직력 또는 전단력을 측정한다.

Description

수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서, 센서 어레이 기판 및 이를 이용한 신발 안창{Sensor capable of measuring pressure or shear stress, sensor substrate and insole using the same}
본 발명은 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서, 이를 이용한 센서 어레이 기판 및 신발 안창에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 간단한 구조로 수직력 또는 전단력의 크기 및 방향을 용이하게 측정할 수 있는 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서, 이를 이용한 센서 어레이 기판 및 신발 안창에 관한 것이다.
압력센서는 특정 시스템에서 압력을 측정하는 소자로서 공업계측, 자동제어, 의료, 자동차 엔지니어, 환경제어, 전기용품 등 그 용도가 다양하고, 폭넓게 사용되는 센서이다. 압력센서의 측정원리는 변위, 변형 등에 따른 전기적 변화를 측정하는 것으로 다양한 형태의 센서가 실용화되고 있다.
압력센서의 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.
그런데 이러한 압력센서는 변형 구조물에 수직 방향으로 가해지는 수직력에 따른 변형률을 측정할 수 있을 뿐이고, 변형 구조물에 수평 방향으로 가해지는 전단력에 따른 변형률을 측정하기 어렵다.
또한, 압력센서에서 전단력에 따른 변형률을 측정하기 위해서는 전단력에 따라 변형되는 변형 구조물을 별도로 구비해야 하는데, 이는 센서의 전체 크기를 증가시키게 되는 문제가 있다.
한국공개특허공보 제2014-0000372호(2014.01.03 공개, 발명의 명칭 : 압력 및 전단력 측정이 가능한 변형 측정 센서 및 그 구조물)
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 변형부재의 변형량에 따라 변형부재와 주변 전극 사이의 접촉면적이 변경되고, 변경되는 접촉면적에 대응하는 전기적 신호를 검출함으로써, 소형의 구조로 수직력 또는 전단력을 모두 측정할 수 있는 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서, 이를 이용한 센서 어레이 기판 및 신발 안창을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서는, 전기 전도성을 가지며, 수직력 또는 전단력이 가해지면 변형될 수 있도록 탄성 재질로 형성되는 변형부재; 상기 변형부재와 전기적으로 연결되도록 배치되는 기준 전극; 및 상기 변형부재의 외측에서 서로 이격되게 배치되고, 상기 변형부재에 수직력 또는 전단력이 가해지면 상기 변형부재가 변형되는 변형량에 따라 상기 변형부재와의 접촉면적이 변경되는 복수의 주변 전극;를 포함하고, 상기 기준 전극과 상기 주변 전극 사이에서 검출되고 상기 변형부재와 상기 주변 전극의 접촉면적에 대응하는 전기적 신호를 이용하여 가해지는 수직력 또는 전단력을 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서에 있어서, 상기 복수의 주변 전극은, 상기 변형부재의 외측에서 원주 방향을 따라 서로 이격되게 배치되는 4개의 주변 전극을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서에 있어서, 상기 복수의 주변 전극은, 상기 변형부재의 외측에서 서로 이격되게 배치되는 복수의 제1주변 전극과, 상기 제1주변 전극의 외측에서 서로 이격되게 배치되는 복수의 제2주변 전극을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서에 있어서, 상기 복수의 제1주변 전극은, 상기 변형부재의 외측에서 원주 방향을 따라 서로 이격되게 배치되는 4개의 제1주변 전극을 포함하고, 상기 복수의 제2주변 전극은, 상기 제1주변 전극의 외측에서 원주 방향을 따라 서로 이격되게 배치되는 4개의 제2주변 전극을 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 센서 어레이 기판은, 베이스 기판; 전기 전도성을 가지며, 수직력 또는 전단력이 가해지면 변형될 수 있도록 탄성 재질로 형성되고, 상기 베이스 기판에 이격되게 배치되는 복수의 변형부재; 상기 변형부재와 전기적으로 연결되도록 배치되는 기준 전극; 및 상기 변형부재의 외측에서 서로 이격되게 배치되고, 상기 변형부재에 수직력 또는 전단력이 가해지면 상기 변형부재가 변형되는 변형량에 따라 상기 변형부재와의 접촉면적이 변경되는 복수의 주변 전극;를 포함하고, 상기 복수의 변형부재는, 제1탄성계수를 가지는 제1변형부재와, 상기 제1탄성계수보다 큰 제2탄성계수를 가지는 제2변형부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 센서 어레이 기판에 있어서, 상기 제2변형부재에 의해 측정되는 수직력 또는 전단력의 크기는 상기 제1변형부재에 의해 측정되는 수직력 또는 전단력의 크기보다 클 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 센서 어레이 기판은, 베이스 기판; 전기 전도성을 가지며, 수직력 또는 전단력이 가해지면 변형될 수 있도록 탄성 재질로 형성되고, 상기 베이스 기판에 이격되게 배치되는 복수의 변형부재; 상기 변형부재와 전기적으로 연결되도록 배치되는 기준 전극; 및 상기 변형부재의 외측에서 서로 이격되게 배치되고, 상기 변형부재에 수직력 또는 전단력이 가해지면 상기 변형부재가 변형되는 변형량에 따라 상기 변형부재와의 접촉면적이 변경되는 복수의 주변 전극;를 포함하고, 상기 복수의 변형부재는, 상기 변형부재의 표면과 상기 베이스 기판의 표면이 이루는 제1접촉각을 가지는 제1변형부재와, 상기 제1접촉각보다 작은 제2접촉각을 가지는 제2변형부재를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 센서 어레이 기판에 있어서, 상기 제2변형부재에 의해 측정되는 수직력 또는 전단력의 크기는 상기 제1변형부재에 의해 측정되는 수직력 또는 전단력의 크기보다 클 수 있다.
본 발명에 따른 센서 어레이 기판에 있어서, 상기 복수의 주변 전극은, 상기 변형부재의 외측에서 원주 방향을 따라 서로 이격되게 배치되는 4개의 주변 전극을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 센서 어레이 기판에 있어서, 상기 복수의 주변 전극은, 상기 변형부재의 외측에서 서로 이격되게 배치되는 복수의 제1주변 전극과, 상기 제1주변 전극의 외측에서 서로 이격되게 배치되는 복수의 제2주변 전극을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 센서 어레이 기판에 있어서, 상기 복수의 제1주변 전극은, 상기 변형부재의 외측에서 원주 방향을 따라 서로 이격되게 배치되는 4개의 제1주변 전극을 포함하고, 상기 복수의 제2주변 전극은, 상기 제1주변 전극의 외측에서 원주 방향을 따라 서로 이격되게 배치되는 4개의 제2주변 전극을 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 신발 안창은, 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서가 설치된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 신발 안창은, 센서 어레이 기판이 설치된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서, 이를 이용한 센서 어레이 기판 및 신발 안창에 따르면, 소형의 구조로 수직력 또는 전단력을 모두 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서, 이를 이용한 센서 어레이 기판 및 신발 안창에 따르면, 전단력이 가해지는 방향에 대한 분해능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서, 이를 이용한 센서 어레이 기판 및 신발 안창에 따르면, 측정할 수 있는 수직력 또는 전단력의 범위를 확장할 수 있다.
또한, 본 발명의 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서, 이를 이용한 센서 어레이 기판 및 신발 안창에 따르면, 소형화를 통해 휴대성을 높일 수 있고, 생산 비용을 줄여 보행거동을 측정하는 환자의 치료 비용을 경감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서를 개략적으로 도시한 도면이고,
도 2는 도 1의 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서에 수직력이 가해진 상태를 도시한 도면이고,
도 3은 도 1의 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서에 전단력이 가해진 상태를 도시한 도면이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서를 개략적으로 도시한 도면이고,
도 5는 도 4의 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서에 수직력이 가해진 상태를 도시한 도면이고,
도 6은 도 4의 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서에 전단력이 가해진 상태를 도시한 도면이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 어레이 기판을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 어레이 기판을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 신발 안창을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서, 이를 이용한 센서 어레이 기판 및 신발 안창의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서에 수직력이 가해진 상태를 도시한 도면이고, 도 3은 도 1의 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서에 전단력이 가해진 상태를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서(100)는 간단한 구조로 수직력 또는 전단력의 크기 및 방향을 용이하게 측정할 수 있는 것으로서, 변형부재(110)와, 기준 전극(120)과, 주변 전극(130)을 포함한다.
상기 변형부재(110)는 전기 전도성을 가지며, 수직력 또는 전단력이 가해지면 변형될 수 있도록 탄성 재질로 형성된다.
변형부재(110)에 수직력 또는 전단력이 가해지기 전, 변형부재(110)는 기준 전극(120)과는 접촉되지만 주변 전극(130)과는 접촉되지 않는다. 따라서, 기준 전극(120), 변형부재(110) 및 주변 전극(130)은 전기적으로 연결되지 않는다.
변형부재(110)에 수직력 또는 전단력이 가해지면, 변형부재(110)는 수직력 또는 전단력이 가해지는 방향으로 변형되면서 주변 전극(130)과 접촉될 수 있다. 이때, 변형부재(110)는 전기 전도성 재질로 형성되므로, 기준 전극(120), 변형부재(110) 및 주변 전극(130)은 전기적으로 연결되고, 기준 전극(120)과 주변 전극(130) 사이에서 전기적 신호를 검출할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 변형부재(110)는 반구형 혹은 구형의 일부와 같은 형상을 갖는 미세 구조물로 형성될 수 있다.
상기 기준 전극(120)은 변형부재(110)에 수직력 또는 전단력이 가해지기 전후에 항상 변형부재(110)와 전기적으로 연결되도록 배치된다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 기준 전극(120)은 변형부재(110)의 중심부의 하부에 변형부재(110)와 접촉되도록 배치되고, 전기 전도성이 우수한 구리 등의 재질로 형성될 수 있다.
상기 주변 전극(130)은 복수 개가 마련되어 변형부재(110)의 외측에서 서로 이격되게 배치되고, 수직력 또는 전단력이 가해져 변형된 변형부재(110)와 접촉되면서 전기적으로 연결된다. 본 실시예의 주변 전극(130)도 전기 전도성이 우수한 구리 등의 재질로 형성될 수 있다.
변형부재(110)에 수직력 또는 전단력이 가해지면 변형부재(110)가 변형되는 변형량에 따라 주변 전극(130)과 변형부재(110)의 접촉면적이 변경된다. 예를 들어 상대적으로 작은 수직력 또는 전단력이 변형부재에 가해지면 변형부재(110)의 변형량은 상대적으로 작게 되고, 그에 따라 주변 전극(130)과 변형부재(110)의 접촉면적은 상대적으로 작게 된다.
반면에, 상대적으로 큰 수직력 또는 전단력이 변형부재(110)에 가해지면 변형부재(110)의 변형량은 상대적으로 크게 되고, 그에 따라 주변 전극(130)과 변형부재(110)의 접촉면적은 상대적으로 크게 된다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 복수의 주변 전극(130)은, 변형부재(110)의 외측에서 원주 방향을 따라 서로 이격되게 배치되는 4개의 주변 전극(130)을 포함할 수 있다. 변형부재(110)에 대하여 여러 방향에서 전단력이 가해질 수 있는데, 변형부재(110)의 외측을 감싸면서 서로 이격되게 배치된 4개의 주변 전극(130)을 통해 전단력의 방향을 보다 정확하게 측정할 수 있다.
주변 전극(130)의 수량은 도 1에 도시된 4개로 한정되는 것이 아니고, 전단력의 방향에 대한 분해능을 향상시키기 위해서는 그 수량이 증가될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 센서(100)에 수직력(F1)이 가해질 수 있다.
변형부재(110)에 수직력(F1)이 가해지면 변형부재(110)가 하측으로 변형되면서 주변 전극(130)과 접촉될 수 있다. 변형부재(110)와 주변 전극(130)이 접촉되면 기준 전극(120), 변형부재(110) 및 주변 전극(130)이 전기적으로 연결되면서 기준 전극(120)과 주변 전극(130) 사이에서 전기적 신호를 검출할 수 있다. 기준 전극(120)과 주변 전극(130) 사이에서 검출되는 전기적 신호는 예를 들어, 저항, 전압, 전류 등이 될 수 있다.
이때 가해지는 수직력(F1)의 크기에 따라 변형부재(110)의 변형량이 변경되고, 변형부재(110)와 주변 전극(130)의 접촉면적이 변경된다. 상대적으로 작은 수직력(F1)이 가해지면 변형부재(110)의 변형량은 상대적으로 작아지고 주변 전극(130)과의 접촉면적 또한 상대적으로 작아진다. 이때, 기준 전극(120)과 주변 전극(130) 사이에서 검출되는 전기적 신호, 예를 들어 전기적 신호가 저항일 경우 변형부재(110)와 주변 전극(130)의 접촉면적이 상대적으로 작아서 저항값은 상대적으로 커질 수 있다.
반면에, 상대적으로 큰 수직력(F1)이 가해지면 변형부재(110)의 변형량은 상대적으로 커지고 주변 전극(130)과의 접촉면적 또한 상대적으로 커진다. 이때, 기준 전극(120)과 주변 전극(130) 사이에서 검출되는 전기적 신호, 예를 들어 전기적 신호가 저항일 경우 변형부재(110)와 주변 전극(130)의 접촉면적이 상대적으로 커서 저항값은 상대적으로 작아질 수 있다.
이와 같이 변형부재(110)와 주변 전극(130)의 접촉면적에 대응하는 전기적 신호를 검출하고, 검출된 전기적 신호의 크기를 통해 변형부재(110)에 가해지는 수직력(F1)의 크기를 측정할 수 있다.
한편, 도 3을 참조하면, 본 실시예의 센서(100)에 전단력(F2)이 가해질 수 있다.
변형부재(110)에 전단력(F2)이 가해지면 변형부재(110)가 전단력(F2)이 가해지는 방향으로 변형되면서 복수의 주변 전극(130) 중 적어도 하나와 접촉될 수 있다. 전단력의 방향에 따라 복수의 주변 전극(130) 중 하나와 접촉될 수도 있고, 복수 개와 접촉될 수도 있다. 변형부재(110)와 접촉된 주변 전극(130)으로부터 전기적 신호가 검출될 수 있고, 전기적 신호가 검출된 주변 전극(130)의 위치를 통해 전단력(F2)의 방향을 산출할 수 있다.
또한, 가해지는 전단력(F2)의 크기에 따라 변형부재(110)의 변형량이 변경되고, 변형부재(110)와 주변 전극(130)의 접촉면적이 변경된다. 변형부재(110)와 주변 전극(130)의 접촉면적이 변경되면 기준 전극(120)과 주변 전극(130) 사이에서 검출되는 전기적 신호의 크기가 달라지는데, 전기적 신호의 크기를 통해 전단력(F2)의 크기를 산출할 수 있다.
이와 같이 변형부재(110)와 주변 전극(130)의 접촉면적에 대응하는 전기적 신호를 검출하고, 전기적 신호가 검출된 주변 전극(130)의 위치 및 검출된 전기적 신호의 크기를 통해, 변형부재(110)에 가해지는 전단력(F2)의 크기 및 방향을 측정할 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 도 4의 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서에 수직력이 가해진 상태를 도시한 도면이고, 도 6은 도 4의 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서에 전단력이 가해진 상태를 도시한 도면이다.
도 4 내지 6을 참조하면, 본 실시예의 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서(100')는 변형부재(110)와, 기준 전극(120)과, 복수의 주변 전극(160,170)을 포함하는데, 복수의 주변 전극(160,170)이 복수의 제1주변 전극(160) 및 복수의 제2주변 전극(170)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 4에 도시된 실시예의 변형부재(110)와, 기준 전극(120)은 도 1에 도시된 실시예의 변형부재(110)와, 기준 전극(120)과 실질적으로 동일하므로, 반복되는 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 복수의 제1주변 전극(160)은, 변형부재(110)의 외측에서 서로 이격되게 배치되고, 수직력 또는 전단력이 가해져 변형된 변형부재(110)와 접촉되면서 변형부재(110)와 전기적으로 연결된다. 본 실시예의 복수의 제1주변 전극(160)은, 변형부재(110)의 외측에서 원주 방향을 따라 서로 이격되게 배치되는 4개의 제1주변 전극(160)을 포함할 수 있다.
또한, 복수의 제2주변 전극(170)은 제1주변 전극(160)의 외측에서 서로 이격되게 배치되고, 수직력 또는 전단력이 가해져 변형된 변형부재(110)와 접촉되면서 변형부재(110)와 전기적으로 연결된다. 본 실시예의 복수의 제2주변 전극(170)은, 제1주변 전극(160)의 외측에서 원주 방향을 따라 서로 이격되게 배치되는 4개의 제2주변 전극(170)을 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 실시예의 센서(100)의 경우, 변형된 변형부재(110)의 외곽선과 주변 전극(130)의 외곽선이 일치되도록 하는 크기의 수직력 또는 전단력이 가해지는 경우의 전기적 신호와, 가해지는 수직력 또는 전단력의 크기가 더 커져서 변형된 변형부재(110)의 외곽선이 주변 전극(130)의 외곽선을 넘어서도록 하는 크기의 수직력 또는 전단력이 가해지는 경우의 전기적 신호가 동일할 수밖에 없다.
상술한 두 경우 모두 변형부재(110)와 주변 전극(130)의 접촉면적이 최대인 상태를 유지하므로, 가해지는 수직력 또는 전단력의 크기가 다르지만 검출되는 전기적 신호의 크기는 동일할 수밖에 없다. 이와 같이, 도 1에 도시된 실시예의 센서(100)의 주변 전극(130)의 경우 측정할 수 있는 수직력 또는 전단력의 범위가 제한적이다.
그러나, 본 실시예의 센서(100')는 복수의 제1주변 전극(160) 및 복수의 제2주변 전극(170)을 포함함으로써, 측정할 수 있는 수직력 또는 전단력의 범위를 확장할 수 있다.
예를 들어, 도 5의 (a)를 참조하면, 본 실시예의 센서(100')에 작은 범위의 수직력(F3)이 가해질 수 있다. 변형부재(110)에 작은 범위의 수직력(F3)이 가해지면 변형부재(110)가 변형되면서 제1주변 전극(160)과 접촉될 수 있고, 이때, 기준 전극(120), 변형부재(110) 및 제1주변 전극(160)이 전기적으로 연결되면서 기준 전극(120)과 제1주변 전극(160) 사이에서 전기적 신호를 검출할 수 있다.
도 5의 (b)를 참조하면, 본 실시예의 센서(100')에 큰 범위의 수직력(F4)이 가해질 수 있다. 변형부재(110)에 큰 범위의 수직력(F4)이 가해지면 변형부재(110)가 변형되면서 제2주변 전극(170)과도 접촉될 수 있고, 이때, 기준 전극(120), 변형부재(110) 및 제2주변 전극(170)이 전기적으로 연결되면서 기준 전극(120)과 제2주변 전극(170) 사이에서 전기적 신호를 검출할 수 있다.
마찬가지로, 도 6의 (a)를 참조하면, 본 실시예의 센서(100')에 작은 범위의 전단력(F5)이 가해질 수 있다. 변형부재(110)에 작은 범위의 전단력(F5)이 가해지면 변형부재(110)가 변형되면서 제1주변 전극(160) 중 하나와 접촉될 수 있고, 이때, 기준 전극(120), 변형부재(110) 및 제1주변 전극(160)이 전기적으로 연결되면서 기준 전극(120)과 제1주변 전극(160) 사이에서 전기적 신호를 검출할 수 있다.
도 6의 (b)를 참조하면, 본 실시예의 센서(100')에 큰 범위의 전단력(F6)이 가해질 수 있다. 변형부재(110)에 큰 범위의 전단력(F6)이 가해지면 변형부재(110)가 변형되면서 제2주변 전극(170)과도 접촉될 수 있고, 이때, 기준 전극(120), 변형부재(110) 및 제2주변 전극(170)이 전기적으로 연결되면서 기준 전극(120)과 제2주변 전극(170) 사이에서 전기적 신호를 검출할 수 있다.
작은 범위의 수직력 또는 전단력의 경우 기준 전극(120)과 제1주변 전극(160) 사이에서 검출되는 전기적 신호를 이용하여 크기를 측정할 수 있고, 큰 범위의 수직력 또는 전단력의 경우 기준 전극(120)과 제2주변 전극(170) 사이에서 검출되는 전기적 신호를 이용하여 크기를 측정할 수 있다.
일례로, 도 1에 도시된 실시예의 센서(100)는 주변 전극(130)을 통해 0~100 N의 하중만을 측정할 수 있다면, 도 4에 도시된 실시예의 센서(100')는 제1주변 전극(160)을 통해 0~100 N의 하중을, 제2주변 전극(170)을 통해 100 N 이상의 하중을 측정할 수 있으므로, 측정할 수 있는 수직력 또는 전단력의 범위를 확장할 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 어레이 기판을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 실시예의 센서 어레이 기판(200)은, 베이스 기판(201)과, 복수의 변형부재(210)와, 기준 전극(120)과, 복수의 주변 전극(130)을 포함한다.
도 7에 도시된 실시예의 기준 전극(120), 복수의 주변 전극(130)은 도 1에 도시된 실시예의 기준 전극(120), 복수의 주변 전극(130)과 실질적으로 동일하므로, 반복되는 설명은 생략한다.
본 실시예의 센서 어레이 기판(200)의 복수의 변형부재(210)는 전기 전도성을 가지며, 수직력 또는 전단력이 가해지면 변형될 수 있도록 탄성 재질로 형성되고, 베이스 기판(201)에 이격되게 배치된다.
도 7의 (a)를 참조하면, 본 실시예의 센서 어레이 기판(200)은 탄성계수가 서로 다른 복수의 변형부재(210)를 포함하는 것을 특징으로 하며, 복수의 변형부재(210)는 제1탄성계수를 가지는 제1변형부재(211)와, 제1탄성계수보다 큰 제2탄성계수를 가지는 제2변형부재(212)를 포함한다.
도 4에 도시된 센서(100')와 마찬가지로, 본 실시예의 센서 어레이 기판(200)은 제1변형부재(211) 및 제2변형부재(212)를 포함함으로써, 측정할 수 있는 수직력 또는 전단력의 범위를 확장할 수 있다.
도 7의 (b)를 참조하면, 본 실시예의 센서 어레이 기판(200)에 작은 범위의 수직력(F7) 또는 전단력이 가해질 수 있다. 센서 어레이 기판(200)에 작은 범위의 수직력(F7) 또는 전단력이 가해지면 상대적으로 작은 크기의 제1탄성계수를 가지는 제1변형부재(211)는 변형되어 주변 전극(160)과 접촉될 수 있고, 상대적으로 큰 크기의 제2탄성계수를 가지는 제2변형부재(212)는 변형되지 않아 주변 전극(160)과 접촉되지 않는다.
도 7의 (c)를 참조하면, 본 실시예의 센서 어레이 기판(200)에 큰 범위의 수직력(F8) 또는 전단력이 가해질 수 있다. 센서 어레이 기판(200)에 큰 범위의 수직력(F8) 또는 전단력이 가해지면 상대적으로 큰 크기의 제2탄성계수를 가지는 제2변형부재(212)도 변형되어 주변 전극(160)과 접촉될 수 있다.
탄성계수의 차이로 인해 상대적으로 작은 크기의 수직력 또는 전단력이 가해지면 제1변형부재(211)이 변형되어 주변 전극(160)과 접촉될 수 있지만, 제2변형부재(212)는 변형되지 않아 주변 전극(160)과 접촉되지 않는다. 따라서, 작은 크기의 수직력 또는 전단력은 제1변형부재(211)를 통해 측정할 수 있다.
또한, 상대적으로 큰 크기의 수직력 또는 전단력이 가해지면 제1변형부재(211) 및 제2변형부재(212)이 모두 변형되어 주변 전극(160)과 접촉될 수 있다. 따라서, 큰 크기의 수직력 또는 전단력은 제2변형부재(212)를 통해 측정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 어레이 기판을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 실시예의 센서 어레이 기판(200')은, 베이스 기판(201)과, 복수의 변형부재(260)와, 기준 전극(120)과, 복수의 주변 전극(130)을 포함한다.
도 8에 도시된 실시예의 기준 전극(120), 복수의 주변 전극(130)은 도 1에 도시된 실시예의 기준 전극(120), 복수의 주변 전극(130)과 실질적으로 동일하므로, 반복되는 설명은 생략한다.
본 실시예의 센서 어레이 기판(200')의 복수의 변형부재(260)는 전기 전도성을 가지며, 수직력 또는 전단력이 가해지면 변형될 수 있도록 탄성 재질로 형성되고, 베이스 기판(201)에 이격되게 배치된다.
도 8의 (a)를 참조하면, 본 실시예의 센서 어레이 기판(200)은 변형부재(260)의 표면과 베이스 기판(201)의 표면이 이루는 접촉각(a1,a2)이 서로 다른 복수의 변형부재(260)를 포함하는 것을 특징으로 하며, 복수의 변형부재(210)는 제1접촉각(a1)을 가지는 제1변형부재(261)와, 제1접촉각(a1)보다 작은 제2접촉각(a2)을 가지는 제2변형부재(262)를 포함한다.
도 4에 도시된 센서(100')와 마찬가지로, 본 실시예의 센서 어레이 기판(200')은 제1변형부재(261) 및 제2변형부재(262)를 포함함으로써, 측정할 수 있는 수직력 또는 전단력의 범위를 확장할 수 있다.
도 8의 (b)를 참조하면, 본 실시예의 센서 어레이 기판(200')에 작은 범위의 수직력(F9) 또는 전단력이 가해질 수 있다. 센서 어레이 기판(200')에 작은 범위의 수직력(F9) 또는 전단력이 가해지면 상대적으로 큰 크기의 제1접촉각(a1)을 가지는 제1변형부재(261)는 변형량이 커서 주변 전극(160)과 접촉될 수 있고, 상대적으로 작은 크기의 제2접촉각(a2)을 가지는 제2변형부재(262)는 변형량이 작아서 주변 전극(160)과 접촉되지 않는다.
도 8의 (c)를 참조하면, 본 실시예의 센서 어레이 기판(200')에 큰 범위의 수직력(F10) 또는 전단력이 가해질 수 있다. 센서 어레이 기판(200')에 큰 범위의 수직력(F10) 또는 전단력이 가해지면 상대적으로 작은 크기의 제2접촉각(a2)을 가지는 제2변형부재(262)도 변형량이 증가하여 주변 전극(160)과 접촉될 수 있다.
접촉각(a1,a2)의 차이로 인해 상대적으로 작은 크기의 수직력 또는 전단력이 가해지면 제1변형부재(261)의 변형량이 커서 주변 전극(160)과 접촉할 수 있지만, 제2변형부재(262)의 변형량은 작아서 주변 전극(160)과 접촉되지 않는다. 따라서, 작은 크기의 수직력 또는 전단력은 제1변형부재(261)를 통해 측정할 수 있다.
또한, 상대적으로 큰 크기의 수직력 또는 전단력이 가해지면 제2변형부재(262)의 변형량이 증가하여 주변 전극(160)과 접촉할 수 있다. 따라서, 큰 크기의 수직력 또는 전단력은 제2변형부재(262)를 통해 측정할 수 있다.
일례로, 도 1에 도시된 실시예의 센서(100)는 주변 전극(130)을 통해 0~100 N의 하중만을 측정할 수 있다면, 도 7 및 도 8에 도시된 실시예의 센서 어레이 기판(200,200')은 제1변형부재(211,261)를 통해 0~100 N의 하중을, 제2변형부재(212,262)를 통해 100 N 이상의 하중을 측정할 수 있으므로, 측정할 수 있는 수직력 또는 전단력의 범위를 확장할 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 신발 안창을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 실시예의 신발 안창(300)은, 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같은 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서(100,100')가 다수 설치될 수도 있고, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같은 센서 어레이 기판(200,200')이 설치될 수도 있다.
센서(100,100') 또는 센서 어레이 기판(200,200')이 설치된 신발 안창(300)은 재활의학, 정형외과 등의 임상진단에 사용되는 족저압, 보행거동 측정에 활용될 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서, 센서 어레이 기판 및 이를 이용한 신발 안창은, 변형부재의 변형량에 따라 변형부재와 주변 전극 사이의 접촉면적이 변경되고, 변경되는 접촉면적에 대응하는 전기적 신호를 검출함으로써, 소형의 구조로 수직력 또는 전단력을 모두 측정할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서, 센서 어레이 기판 및 이를 이용한 신발 안창은, 복수의 주변 전극이 변형부재의 외측에서 원주 방향을 따라 서로 이격되게 배치되는 다수 개가 배치됨으로써, 전단력이 가해지는 방향에 대한 분해능을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서, 센서 어레이 기판 및 이를 이용한 신발 안창은, 변형부재 주변에 형성되는 주변 전극이 복수의 제1주변 전극 및 복수의 제2주변 전극을 포함함으로써, 측정할 수 있는 수직력 또는 전단력의 범위를 확장할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서, 센서 어레이 기판 및 이를 이용한 신발 안창은, 탄성계수가 서로 다른 변형부재 또는 접촉각이 서로 다른 변형부재를 포함함으로써, 측정할 수 있는 수직력 또는 전단력의 범위를 확장할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서, 센서 어레이 기판 및 이를 이용한 신발 안창은, 미세 구조물로 변형부재 등을 형성함으로써, 소형화를 통해 휴대성을 높일 수 있고, 생산 비용을 줄여 보행거동을 측정하는 환자의 치료 비용을 경감시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 7 및 도 8에 도시된 실시예의 센서 어레이 기판(200,200')에 있어서, 센서 어레이 기판(200,200')이 도 1에 도시된 센서(100)의 주변 전극(130)을 포함하는 것으로 도시하였으나, 센서 어레이 기판(200,200')은 도 4에 도시된 센서(100')의 제1주변 전극(160) 및 제2주변 전극(170)을 포함할 수도 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예 및 변형례에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 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.
100 : 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서
110 : 변형부재
120 : 기준 전극
130 : 주변 전극

Claims (13)

  1. 전기 전도성을 가지며, 수직력 또는 전단력이 가해지면 변형될 수 있도록 탄성 재질로 형성되는 변형부재;
    상기 변형부재와 전기적으로 연결되도록 배치되는 기준 전극; 및
    상기 변형부재의 외측에서 서로 이격되게 배치되고, 상기 변형부재에 수직력 또는 전단력이 가해지면 상기 변형부재가 변형되는 변형량에 따라 상기 변형부재와의 접촉면적이 변경되는 복수의 주변 전극;를 포함하고,
    상기 기준 전극과 상기 주변 전극 사이에서 검출되고 상기 변형부재와 상기 주변 전극의 접촉면적에 대응하는 전기적 신호를 이용하여 가해지는 수직력 또는 전단력을 측정하는 것을 특징으로 하는 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 주변 전극은,
    상기 변형부재의 외측에서 원주 방향을 따라 서로 이격되게 배치되는 4개의 주변 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 주변 전극은,
    상기 변형부재의 외측에서 서로 이격되게 배치되는 복수의 제1주변 전극과, 상기 제1주변 전극의 외측에서 서로 이격되게 배치되는 복수의 제2주변 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 제1주변 전극은, 상기 변형부재의 외측에서 원주 방향을 따라 서로 이격되게 배치되는 4개의 제1주변 전극을 포함하고,
    상기 복수의 제2주변 전극은, 상기 제1주변 전극의 외측에서 원주 방향을 따라 서로 이격되게 배치되는 4개의 제2주변 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서.
  5. 베이스 기판;
    전기 전도성을 가지며, 수직력 또는 전단력이 가해지면 변형될 수 있도록 탄성 재질로 형성되고, 상기 베이스 기판에 이격되게 배치되는 복수의 변형부재;
    상기 변형부재와 전기적으로 연결되도록 배치되는 기준 전극; 및
    상기 변형부재의 외측에서 서로 이격되게 배치되고, 상기 변형부재에 수직력 또는 전단력이 가해지면 상기 변형부재가 변형되는 변형량에 따라 상기 변형부재와의 접촉면적이 변경되는 복수의 주변 전극;를 포함하고,
    상기 복수의 변형부재는, 제1탄성계수를 가지는 제1변형부재와, 상기 제1탄성계수보다 큰 제2탄성계수를 가지는 제2변형부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 어레이 기판.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2변형부재에 의해 측정되는 수직력 또는 전단력의 크기는 상기 제1변형부재에 의해 측정되는 수직력 또는 전단력의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 센서 어레이 기판.
  7. 베이스 기판;
    전기 전도성을 가지며, 수직력 또는 전단력이 가해지면 변형될 수 있도록 탄성 재질로 형성되고, 상기 베이스 기판에 이격되게 배치되는 복수의 변형부재;
    상기 변형부재와 전기적으로 연결되도록 배치되는 기준 전극; 및
    상기 변형부재의 외측에서 서로 이격되게 배치되고, 상기 변형부재에 수직력 또는 전단력이 가해지면 상기 변형부재가 변형되는 변형량에 따라 상기 변형부재와의 접촉면적이 변경되는 복수의 주변 전극;를 포함하고,
    상기 복수의 변형부재는, 상기 변형부재의 표면과 상기 베이스 기판의 표면이 이루는 제1접촉각을 가지는 제1변형부재와, 상기 제1접촉각보다 작은 제2접촉각을 가지는 제2변형부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 어레이 기판.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2변형부재에 의해 측정되는 수직력 또는 전단력의 크기는 상기 제1변형부재에 의해 측정되는 수직력 또는 전단력의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 센서 어레이 기판.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 복수의 주변 전극은,
    상기 변형부재의 외측에서 원주 방향을 따라 서로 이격되게 배치되는 4개의 주변 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 어레이 기판.
  10. 제5항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 복수의 주변 전극은,
    상기 변형부재의 외측에서 서로 이격되게 배치되는 복수의 제1주변 전극과, 상기 제1주변 전극의 외측에서 서로 이격되게 배치되는 복수의 제2주변 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 어레이 기판.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 제1주변 전극은, 상기 변형부재의 외측에서 원주 방향을 따라 서로 이격되게 배치되는 4개의 제1주변 전극을 포함하고,
    상기 복수의 제2주변 전극은, 상기 제1주변 전극의 외측에서 원주 방향을 따라 서로 이격되게 배치되는 4개의 제2주변 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 어레이 기판.
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 기재된 수직력 또는 전단력 측정이 가능한 센서가 설치된 것을 특징으로 하는 신발 안창.
  13. 제5항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 기재된 센서 어레이 기판이 설치된 것을 특징으로 하는 신발 안창.
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