KR20240115953A - 복합강성센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20240115953A
KR20240115953A KR1020230007980A KR20230007980A KR20240115953A KR 20240115953 A KR20240115953 A KR 20240115953A KR 1020230007980 A KR1020230007980 A KR 1020230007980A KR 20230007980 A KR20230007980 A KR 20230007980A KR 20240115953 A KR20240115953 A KR 20240115953A
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KR1020230007980A
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차광열
최영진
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한양대학교 에리카산학협력단
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    • G01B11/18—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge using photoelastic elements

Abstract

복합강성센서는 센서부와, 센서부를 수용하며 제 1 방향으로 형성되는 센서하우징을 갖는 센서유닛과, 제 1 방향과 다른 제 2 방향으로 센서하우징에 연결되는 탄성부로서, 외력에 의해 센서하우징을 변형시키도록 구성되는 탄성부를 포함하고, 센서부는, 센서하우징의 변형으로 발생하는 신호변화를 감지하도록 구성된다.

Description

복합강성센서 및 그 제조방법{composite stiffness sensor and manufacturing method thereof}
본 발명은 복합강성센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조를 개선한 복합강성센서에 관한 것이다.
인체나 소프트 로봇의 움직임을 측정하기 위해 단단한 센서 보다 소프트한 센서가 많이 사용되고 있다.
소프트 센서는 소프트 물체가 휘거나 늘어나는 것을 측정한다. 기존의 갈륨과 인륨의 합금인 액체 금속을 이용한 EGaIn(Eutectic Gallium Indium) 센서는 외력이 가해지는 지점이나 늘어남의 정도를 측정할 수 있으며, 원래의 길이에서 2배정도 늘어나는 것이 가능하여 인체의 움직임을 측정하는데 사용되고 있다. 그러나, 기존의 소프트 센서는 인체의 굽힘 정도가 아닌 크게 변형이 일어나는 소프트 물체를 측정하는데 한계가 있으며, 원래 길이에서 2배 이상 늘어나게 될 경우 측정 품질이 크게 저하되는 문제가 있다. 또한, EGaIn(Eutectic Gallium Indium) 센서는 전문적인 장비 없이 제작이 불가능한 문제가 있다.
본 발명의 일 측면은 구조를 개선한 복합강성센서를 제공한다.
본 발명의 일 측면은 민감도를 향상시킨 복합강성센서를 제공한다.
본 발명의 사상에 따른 복합강성센서는 센서부와, 상기 센서부를 수용하며 제 1 방향으로 형성되는 센서하우징을 갖는 센서유닛; 상기 제 1 방향과 다른 제 2 방향으로 상기 센서하우징에 연결되는 탄성부로서, 외력에 의해 상기 센서하우징을 변형시키도록 구성되는 탄성부;를 포함하고, 상기 센서부는, 상기 센서하우징의 변형으로 발생하는 신호변화를 감지하도록 구성된다.
상기 신호변화는, 광신호변화를 포함할 수 있다.
상기 센서하우징은, 상기 탄성부에 작용하는 외력에 연동하여 변형되도록 구성될 수 있다.
상기 센서부는, 광원부; 상기 광원부로부터의 광을 검출하는 광검출부로서, 상기 광원부와 상기 제 1 방향으로 이격되게 배치되는 광검출부;를 포함할 수 있다.
상기 센서하우징은, 상기 광원부와 상기 광검출부사이에서 상기 제 1 방향으로 형성되는 코어부로서, 상기 광원부와 상기 광검출부사이에 광경로를 형성하는 코어부;를 포함할 수 있다.
상기 센서하우징은, 상기 광원부와 상기 광검출부가 각각 수용되는 제 1, 2 수용부; 그 내부에 상기 코어부가 배치되며, 상기 제 1, 2 수용부를 연결하는 하우징몸체;를 포함할 수 있다.
상기 탄성부는, 상기 하우징몸체에 연결되도록 구성될 수 있다.
상기 탄성부는, 상기 하우징몸체에 수직하게 연결될 수 있다.
상기 탄성부는, 상기 하우징몸체의 중앙에 연결되도록 구성될 수 있다.
상기 하우징몸체는, 상기 탄성부에 의해 변형이 발생하도록, 상기 제 1, 2 수용부보다 외면 중 적어도 일부가 오목하게 형성되는 몸체오복부;를 더 포함할 수 있다.
상기 코어부의 광경로는, 상기 광원부와, 상기 광검출부, 상기 하우징몸체에 의해 밀폐되도록 구성될 수 있다.
상기 신호변화는 광신호변화를 포함하고, 상기 센서부는, 상기 코어부의 상기 광경로 변형에 따른 상기 광신호변화를 감지하도록 구성될 수 있다.
상기 탄성부는, 상기 제 2 방향 또는 상기 제 1, 2 방향과 다른 제 3 방향으로 외력을 받아 변형가능하게 구성되며, 상기 광원부와, 상기 광검출부는, 상기 코어부를 중심으로 상기 제 1 방향 양단에 배치되되, 제 2, 3 방향의 변형으로 인한 광신호변화를 감지하도록 구성될 수 있다.
상기 센서하우징은, 상기 탄성부보다 탄성계수가 크도록 구성될 수 있다.
상기 탄성부는, 상기 외력에 의한 변형이 상기 센서하우징보다 크도록 구성될 수 있다.
상기 제 2 방향은, 상기 제 1 방향과 수직한 방향일 수 있다.
상기 센서하우징과 상기 탄성부는, 서로 다른 유연성을 갖는 엘라스토머로 구성될 수 있다.
상기 센서하우징과 탄성부는, 상기 외력에 의해 그 직경과 길이가 변형되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 사상에 따른 복합강성센서는 탄성부; 상기 탄성부에 연결되는 센서유닛으로서, 상기 탄성부에 가해지는 외력에 의해 변형가능하게 구성되는 센서유닛;을 포함하고, 상기 센서유닛은, 제 1 방향으로 형성되는 센서하우징; 상기 센서하우징에 수용되는 광원과, 광검출부로서, 상기 제 1 방향으로 형성되는 광경로 양단에 배치되는 광원과 광검출부;를 포함하고, 상기 탄성부는, 상기 센서하우징에 연결되되, 상기 제 1 방향과 다른 제 2 방향으로 외력을 받도록 구성된다.
상기 센서하우징은, 상기 탄성부에 가해지는 외력에 의해 연동되어 변형되도록 구성되며, 상기 광원과 광검출부는, 상기 센서하우징의 변형에 의한 신호변화를 감지하도록 구성될 수 있다.
상기 센서하우징은, 상기 광원부와 상기 광검출부사이에서 상기 제 1 방향으로 형성되는 코어부로서, 상기 광원부와 상기 광검출부사이에 상기 광경로를 형성하는 코어부;를 포함할 수 있다.
상기 센서하우징은, 상기 광원부와 상기 광검출부가 각각 수용되는 제 1, 2 수용부; 그 내부에 상기 코어부가 배치되며, 상기 제 1, 2 수용부를 연결하는 하우징몸체;를 포함할 수 있다.
상기 탄성부는, 상기 하우징몸체에 상기 제 2 방향 또는 상기 제 1, 2 방향과 다른 제 3 방향으로 연결될 수 있다.
상기 신호변화는 광신호변화를 포함하고, 상기 광원과, 광검출부는, 상기 코어부의 상기 광경로 변형에 따른 상기 광신호변화를 감지하도록 구성될 수 있다.
상기 광원부와, 상기 광검출부는, 상기 코어부를 중심으로 상기 제 1 방향 양단에 배치되되, 제 2 방향의 변형으로 인한 상기 광신호변화를 감지하도록 구성될 수 있다.
상기 센서하우징은, 상기 탄성부보다 탄성계수가 크도록 구성될 수 있다.
본 발명의 사상에 따른 복합강성센서는 탄성부; 상기 탄성부에 연결되는 센서유닛으로서, 상기 탄성부에 가해지는 외력에 의해 변형가능하게 구성되는 센서유닛;을 포함하고, 상기 센서유닛은, 제 1 방향으로 형성되는 센서하우징으로서, 그 내부에 상기 제 1 방향으로 형성되는 수용공간을 형성하는 센서하우징; 상기 센서하우징에 수용되는 광원과, 광검출부로서, 상기 수용공간 양단에 각각 배치되는 광원과 광검출부;를 포함하고, 상기 탄성부는, 상기 센서하우징에 연결되되, 상기 제 1 방향과 다른 제 2 방향으로 연결되도록 구성된다.
본 발명의 사상에 따른 복합강성센서 제조방법은 센서부와, 상기 센서부를 수용하며 제 1 방향으로 형성되는 센서하우징을 갖는 센서유닛를 형성하는 단계; 탄성부를 형성하는 단계; 상기 제 1 방향과 다른 제 2 방향으로 상기 탄성부를 상기 센서유닛에 연결하는 단계;를 포함한다.
상기 센서유닛을 형성하는 단계는, 유연성이 있는 센서하우징 혼합액을 몰드에 주입하여 상기 센서하우징의 하부몸체를 형성하는 단계; 상기 광원부와 상기 광검출부를 상기 센서하우징의 하부에 형성된 제 1, 2 안착공간에 안착시키는 단계; 상기 광원부와 상기 광검출부 사이에 코어부 혼합액을 주입하여 상기 센서하우징의 코어부를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 센서하우징과, 상기 탄성부는 서로 다른 유연성을 가지는 재질로 구성될 수 있다.
상기 센서하우징은 상기 탄성부보다 탄성계수가 크도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면 복합강성센서의 구조를 통해, 외력의 크기를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면 복합강성센서를 통해 센싱민감도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면 외력이 작용하는 탄성부와, 이를 측정하는 센싱유닛의 탄성계수를 달리함으로서, 보다 정확한 외력 측정이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합강성센서의 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합강성센서의 센서어셈블리의 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합강성센서의 센서어셈블리 단면사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합강성센서의 외력에 따른 동작에 관한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합강성센서의 외력에 따른 신호변화에 대한 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합강성센서의 센서하우징의 제조에 대한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합강성센서의 제조에 대한 도면.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
또한, 본 명세서의 각 도면에서 제시된 동일한 참조번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 사용한 “제1”, “제2” 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. “및/또는” 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
또한, "~부", "~기", "~블록", "~부재", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 용어들은 FPGA (field-programmable gate array)/ ASIC (application specific integrated circuit) 등 적어도 하나의 하드웨어, 메모리에 저장된 적어도 하나의 소프트웨어 또는 프로세서에 의하여 처리되는 적어도 하나의 프로세스를 의미할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합강성센서의 사시도, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합강성센서의 센서어셈블리의 사시도, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합강성센서의 센서어셈블리 단면사시도이다.
복합강성센서(1)는 물체가 휘거나 늘어나는 것을 측정하기 위한 센서로, 서로 다른 유연성을 가지는 두 개의 부분을 연결하여 제작된다. 본 발명의 복합강성센서(1)는 서로 다른 유연성을 가지는 센서유닛(30)과 탄성부(50)를 연결하여 제작함으로서, 탄성부(50)로 작용하는 외력을 연동되어 변형되는 센서유닛(30)에서 감지함으로서 센싱 민감도를 유지하여 안정적인 측정이 가능한 특징이 있다.
복합강성센서(1)는 브라켓(10)과 센서어셈블리(20)를 포함할 수 있다.
브라켓(10)은 복합강성센서(1)의 외관을 형성할 수 있다. 브라켓(10)은 그 내부에 배치되는 센서어셈블리(20)를 외부로부터 보호하도록 구성될 수 있다. 자세하게는 브라켓(10)은 센서유닛(30), 탄성부(50), 센서유닛(30)과 탄성부(50)의 연결부분, 와이어(32aa, 32ba)등을 보호하도록 구성될 수 있다. 브라켓(10)은 로봇이나 센싱이 요구되는 대상물에 장착가능하게 구성될 수 있다.
센서어셈블리(20)는 센서유닛(30)과 탄성부(50)를 포함할 수 있다.
센서유닛(30)은 외력에 따른 변형을 감지하도록 구성될 수 있다. 센서유닛(30)은 이후 설명하는 탄성부(50)에 가해지는 외력을 감지하도록 구성될 수 있다. 센서유닛(30)은 사람의 인체나 소프트 로봇의 움직임을 측정하도록 마련될 수 있다. 센서유닛(30)은 제 1 방향(w1)을 길이방향으로 형성될 수 있다.
센서유닛(30)은 센서부(32)와 센서하우징(34)을 포함할 수 있다.
센서부(32)는 센서하우징(34)의 변형으로 발생하는 신호변화를 감지하도록 구성될 수 있다. 센서부(32)가 감지하는 신호변화는 광신호변화를 포함할 수 있다. 자세하게는 센서부(32)는 이후 설명하는 광경로 변형에 따른 광신호변화를 감지하도록 구성될 수 있다.
센서부(32)는 광원부(32a)와, 광검출부(32b)를 포함할 수 있다. 광원부(32a)와 광검출부(32b)는 광신호의 변화에 기초하여 센서유닛(30)의 변형되는 정도를 측정할 수 있다.
광원부(32a)는 빛을 방출하는 LED(light emitting diode)를 포함할 수 있다. 광원부(32a)는 센서하우징(34) 일측에 배치될 수 있다. 광원부(32a)는 센서하우징(34)의 내부에서 광검출부(32b)와 마주하도록 배치될 수 있다.
광검출부(32b)는 광을 검출하는 포토다이오드(photodiode)를 포함할 수 있다. 광검출부(32b)는 광원부(32a)로부터 생성되는 광을 검출하도록 마련될 수 있다. 광검출부(32b)는 센서하우징(34) 타측에 배치될 수 있다. 광검출부(32b)는 센서하우징(34)의 내부에서 광원부(32a)와 마주하도록 배치될 수 있다. 자세하게는 광검출부(32b)는 광원부(32a)와 제 1 방향(w1)으로 이격되게 배치될 수 있다. 광검출부(32b)는 센서하우징(34)에 외력이 인가되어 변형되는 경우, 광경로가 변형되어 변형된 신호를 센싱할 수 있다.
센서하우징(34)은 센서부(32)를 수용하도록 구성될 수 있다. 센서하우징(34)은 길이방향으로 형성되고, 그 내부에 상기 길이방향을 따라 수용공간(35)을 형성할 수 있다. 센서하우징(34)은 도 2에서와 같이 제 1 방향(w1)을 길이방향으로 연장형성될 수 있으며, 내부의 수용공간(35)도 길이방향인 제 1 방향(w1)을 따라 형성될 수 있다. 센서하우징(34)의 수용공간(35)에는 코어부(40)가 배치될 수 있으며, 코어부(40)의 양단에는 광원부(32a)와 광검출부(32b)가 배치될 수 있다.
센서하우징(34)은 센서유닛(30)의 하우징을 형성하는 것으로, 유연성이 있는 연성의 재질로 이루어져 인가되는 외력에 따라 변형가능하게 구성될 수 있다. 센서하우징(34)은 탄성을 가진 재질로 형성될 수 있다. 센서하우징(34)은 탄성을 가진 고분자물질과 실리콘 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일례로 센서하우징(34)은 엘라스토머(elastomer)로 이루어질 수 있다. 센서하우징(34)은 고분자 물질과 실리콘 안료가 혼합된 혼합액으로 구성될 수 있다. 센서하우징(34)에 첨가되는 실리콘 안료는 광원부(32a)에서 광검출부(32b)로 광경로가 형성되게 하며, 센서하우징(34)에 첨가되는 실리콘 안료에 따라 코어부(40)를 지나는 광의 양을 조절할 수 있다.
센서하우징(34)은 탄성부(50)보다 높은 탄성계수를 갖도록 구성될 수 있다. 이를 통해 탄성부(50)로 외력이 작용할 때, 탄성부(50)의 변형이 센서하우징(34)의 변형보다 크도록 구성될 수 있다.
센서하우징(34)은 하우징몸체(36)와 하우징수용부(38)를 포함할 수 있다.
하우징몸체(36)는 그 내부에 앞서 언급한 수용공간(35)을 형성할 수 있다. 하우징몸체(36)는 길이방향을 따라 수용공간(35)을 형성하도록, 길이방향으로 길게 형성될 수 있다.
하우징수용부(38)는 센서부(32)를 수용하도록 구성될 수 있다. 하우징수용부(38)는 하우징몸체(36)로부터 연장형성되도록 구성될 수 있다. 하우징수용부(38)는 광원부(32a)가 수용되는 제 1 수용부(38a)와, 광검출부(32b)가 수용되는 제 2 수용부(38b)를 포함할 수 있다. 제 1, 2 수용부는 각각 하우징몸체(36)의 양단에 마련될 수 있다. 제 1, 2 수용부(38a, 38b)는 내측에 수용공간(35)보다 폭이 넓게 형성되는 제 1, 2 안착공간(38aa, 38ba)을 형성할 수 있다. 광원부(32a)와 광검출부(32b)는 각각 제 1, 2 안착공간(38aa, 38ba)에 안착됨으로서, 센서하우징(34)에 수용될 수 있다.
하우징몸체(36)는 몸체오목부(36a)를 포함할 수 있다. 몸체오목부(36a)는 인접한 하우징수용부(38)보다 오목하게 형성되도록 구성될 수 있다. 몸체오목부(36a)는 하우징수용부(38)의 외면 중 적어도 일부에 대해 단차지도록 형성될 수 있다. 하우징몸체(36)는 몸체오목부(36a)를 통해 하우징수용부(38)보다 오목하게 형성될 수 있다. 몸체오목부(36a)를 통해 하우징수용부(38)의 외면의 단면적은, 하우징몸체(36)의 외면의 단면적보다 크도록 형성될 수 있다. 이러한 구성을 통해 센서하우징(34)의 변형이 원활하게 이루어질 수 있으며, 변형중심이 하우징몸체(36)를 중심으로 이루어질 수 있도록 구성될 수 있다.
센서하우징(34)은 탄성부(50)에서 발생하는 외력에 의해 변형되며, 이와 같은 변형에 의해 광검출부(32b)에서 검출되는 광이 달라지게 된다. 제어부는 광검출부(32b)의 출력신호변화에 기초하여 외력을 감지할 수 있다.
센서하우징(34)은 코어부(40)를 포함할 수 있다. 코어부(40)는 센서하우징(34)의 수용공간(35)에 배치될 수 있다. 코어부(40)의 양단에는 광원부(32a)와 광검출부(32b)가 각각 배치될 수 있다.
코어부(40)는 센서하우징(34)의 하우징몸체(36) 내측에 형성된 수용공간(35)에 삽입되어 광경로를 형성할 수 있다. 이를 위해 코어부(40)는 광투과성 재질로 형성될 수 있다. 또한 코어부(40)는 유연성이 있는 연성의 재질로 형성될 수 있다. 코어부(40)은 탄성을 가진 재질로 형성될 수 있다. 자세하게는 코어부(40)는 탄성을 가진 고분자물질로 이루어질 수 있다. 코어부(40)는 탄성을 가진 고분자물질과 실리콘 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일례로 코어부(40)는 엘라스토머(elastomer)로 이루어질 수 있다. 일례로 코어부(40)는 실리콘오일(PDMS, Polydimethylsiloxxane)을 포함할 수 있다. 코어부(40)는 탄성부(50)보다 높은 탄성계수를 가지며, 동일한 외력에 대해 코어부(40)는 탄성부(50)보다 적은 변형이 되도록 구성될 수 있다. 코어부(40)의 탄성계수와 센서하우징(34)의 탄성계수는 동일 또는 근접한 범위로 형성되도록 구성될수 있다.
코어부(40)는 센서하우징(34)의 길이방향인 제 1 방향(w1)을 따라 연장형성될 수 있다. 자세하게는 코어부(40)는 광원부(32a)와 광검출부(32b)사이에서 제 1 방향(w1)으로 형성되어, 광원부(32a)와 광검출부(32b)사이에서 광경로를 형성할 수 있다. 코어부(40)는 센서유닛(30)의 광경로를 형성하며, 센서하우징(34)과 함께 외력에 의해 변형될 수 있다. 코어부(40)가 외력에 의해 변형되는 경우, 광검출부(32b)는 변경되는 광신호 변화에 기초하여 외력을 센싱할 수 있다. 외력 센싱을 위해, 광원부(32a)와, 광검출부(32b)는 코어부(40)의 양단에 각각 마련될 수 있다.
코어부(40)는 광원부(32a)와 광검출부(32b), 센서하우징(34)의 하우징몸체(36)에 의해 밀폐될 수 있다. 즉, 코어부(40)의 광경로는 밀폐공간에 위치되도록 구성될 수 있다. 이를 통해 광원부(32a)와 광검출부(32b)에 의해 감지되는 광신호변화에 대한 민감도를 향상시킬 수 있으며, 외부광으로 인한 노이즈를 방지할 수 있다.
센서유닛(30)은 제어부(미도시)를 포함할 수 있다. 제어부는 외력에 따른 센성유닛의 변형에 따라 감지되는 센서부(32)의 신호변화를 기초로 외력을 센싱할 수 있다.
센서어셈블리(20)는 탄성부(50)를 포함할 수 있다.
탄성부(50)는 센서유닛(30)에 연결되며, 외력에 따라 센서유닛(30)보다 더 많이 변형되도록 구성될 수 있다.
탄성부(50)는 유연성이 있는 연성의 재질로 이루어져 인가되는 외력에 따라 변형가능하게 구성될 수 있다. 탄성부(50)는 탄성을 가진 재질로 형성될 수 있다. 탄성부(50)는 탄성을 가진 고분자물질과 실리콘 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일례로 탄성부(50)는 엘라스토머(elastomer)로 이루어질 수 있다. 또한 일례로 탄성부(50)는 실리콘 EcoFlex0030으로 형성될 수 있다. 탄성부(50)는 센서유닛(30)보다 낮은 탄성계수를 갖도록 형성되어 강성이 낮은 스프링처럼 동작할 수 있으며, 인가된 외력에 따라 직경 및 길이가 변형될 수 있다.
탄성부(50)는 센서유닛(30)에 연결될 수 있다. 자세하게는 탄성부(50)는 센서유닛(30)의 측부에 연결될 수 있다. 자세하게는 탄성부(50)는 그 일단이 센서유닛(30)의 하우징몸체(36)의 측면인 외면과 연결될 수 있다. 이를 통해 탄성부(50)는 센서유닛(30)의 변형을 유도할 수 있다.
탄성부(50)는 제 1 방향(w1)과 다른 제 2 방향(w2)으로 형성될 수 있다. 제 2 방향(w2)은 제 1 방향(w1)과 일정각도 이격된 방향일 수 있다. 제 2 방향(w2)은 제 1 방향(w1)에 수직한 방향을 포함할 수 있다. 즉, 제 2 방향(w2)이 제 1 방향(w1)에 수직한 방향인 경우, 탄성부(50)는 하우징몸체(36)에 수직하게 연결될 수 있다.
탄성부(50)는 센서하우징(34)의 하우징몸체(36) 중앙에 연결되도록 구성될 수 있다. 자세하게는 탄성부(50)는 하우징몸체(36)외면의 중앙에 연결될 수 있다. 이를 통해 탄성부(50)에 의한 외력전달이 센서유닛(30)으로 안정적으로 전달될 수 있으며, 이를 통해 광경로 변형에 의한 광신호변화의 민감도를 향상시킬 수 있다.
탄성부(50)는 가느다란 막대형상으로 형성될 수 있다. 그러나 탄성부(50)의 형상은 한정되지 않는다. 탄성부(50)는 원통형상으로 형성될 수 있으며, 유연성이 있는 연성의 재질로 이루어져 인가되는 외력에 따라 변형가능하게 구성될 수 있다. 외력의 방향은 한정되지 않는다. 일례로 외력은 탄성부(50)의 진행방향인 제 2 방향(w2)을 따라 가해질 수도 있으며, 제 1, 2 방향과는 다른 제 3 방향(w3)으로 가해질 수도 있다. 센서부(32)는 제 2, 3 방향(w2, w3)의 변형으로 인한 광신호변화를 감지할 수 있다.
이하는 본 발명의 복합강성센서의 동작에 관하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합강성센서의 외력에 따른 동작에 관한 도면, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합강성센서의 외력에 따른 신호변화에 대한 그래프이다.
탄성부(50)에 외력에 작용하는 경우 도 4의 (a), (b), (c)와 같이 동작할 수 있다. 즉, 외력은 (a)와 같이 제 1 방향(w1)과 수직한 제 2 방향(w2)으로 발생할 수도 있으며, (b), (c)와 같이 제 1, 2 방향(w1, w2)와는 다른 제 3 방향(w3)으로 발생할 수도 있다. 탄성부(50)는 외력에 의해 당겨지면서, 연결된 센서유닛(30)을 잡아당겨 센서유닛(30)에서 변형이 발생하게 된다. 센서유닛(30)의 변형으로 인해 그 내부의 광경로 또한 변형되며, 광원으로부터 광검출부(32b)로 입사되는 광신호가 변하게 된다. 제 1 방향(w1)으로 이격배치되는 센서부(32)는 제 2 방향(w2) 또는 제 3 방향(w3)으로의 외력에 대한 변형을 감지하므로, 보다 민감도가 높은 복합강성센서를 구현할 수 있다. 또한 제 1 방향(w1)으로 배치되는 광원부(32a)와 광검출부(32b)가 외력이 작용하는 제 2, 3 방향(w2, w3)에 대한 영향을 최소화시킴으로서, 보다 정확한 센싱이 가능하게 된다.
도 5는 본 발명의 복합강성센서(1)의 강성을 실험한 그래프이다. 탄성부(50)의 길이가 23cm 일때와 38.5cm 일때를 왕복변형되도록 실험하였다. 도 5의 데이터는 센서모델을 특성화하는데 활용될 수 있다. 도 5의 x축은 탄성부(50)의 길이를 의미하며, y축은 탄성부(50) 길이변화에 따른 센서부(32)에서의 신호변화에 따른 전압의 크기를 의미한다. 도 5에서 빨간색 그래프 상하로 있는 파란색그래프는 복합강성센서(1)의 탄성부(50)를 당길때와 놓을 때의 그래프이며, 반복된 실험으로 복수의 그래프가 겹치도록 실험하였다. 도 5의 그래프와 같이, 복합강성센서(1)에 외력을 가하여 탄성부(50)가 인장 및 복원될 때, 센서유닛(30)에서 감지되는 탄성부(50)의 길이변화의 크기를 살펴볼 수 있다.
이하는 본 발명의 복합강성센서의 제조방법에 대해서 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합강성센서의 센서하우징의 제조에 대한 도면, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합강성센서의 제조에 대한 도면이다.
도 6의 (a)와 같이, 기제조된 몰드(M1)에 센서하우징(34) 혼합액을 주입할 수 있다. 센서하우징(34) 혼합액은 고분자 물질과 실리콘 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일례로 센서하우징(34) 혼합액은 실리콘M4601이 적용될 수 있다. 설명의 편의상 몰드(M1)에 의해 제조되는 센서하우징(34)의 일부를 제 1 센서하우징(34a), 이후에 결합되는 나머지 부분을 제 2 센서하우징(34b, 도 7의 (c) 참고)으로 정의할 수 있다.
도 6의 (b)와 같이, 센서하우징(34) 혼합액이 응고된 제 1 센서하우징(34a)을 몰드(M1)로부터 빼내어, 도 6의 (c)와 같이, 기제조된 고정틀(F)에 넣을 수 있다.
이후 도 7의 (a)와 같이 제 1 센서하우징(34a)의 제 1, 2 수용부(38a, 38b)에 해당하는 부분에 각각 광원부(32a)와 광검출부(32b)를 삽입 및 안착시킬 수 있다. 도 7의 (b)와 같이 광원부(32a)와 광검출부(32b) 사이에 코어부(40) 혼합액을 주입할 수 있다. 코어부(40) 혼합액은 고분자 물질과 실리콘 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일례로 코어부(40) 혼합액은 실리콘PDMS가 적용될 수 있다.
도 7의 (c)와 같이 코어부(40)와 센서부(32)를 덮도록 제 2 센서하우징(34b)을 제 1 센서하우징(34a)에 결합할 수 있다. 이후 센서하우징(34)을 고정틀(F)로부터 빼내어 일측면에 도 2와 같이 탄성부(50)를 연결할 수 있다. 탄성부(50)는 제 1 방향(w1)과 다른 제 2 방향(w2)으로 센서하우징(34)의 하우징몸체(36)에 연결될 수 있다. 제 2 방향(w2)은 제 1 방향(w1)에 수직한 방향일 수 있다. 연결방법은 일례로 접착이 될 수 있으며, Sil-Poxy가 적용될 수 있다. 이와 같이 센서유닛(30)과 탄성부(50)가 연결된 센서어셈블리(20)는 브라켓(10)에 장착하여 복합강성센서(1)를 제작할 수 있다.
이상에서는 특정의 실시예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 상기한 실시예에만 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
1 : 복합강성센서 10 : 브라켓
20 : 센서어셈블리 30 : 센서유닛
32 : 센서부 32a : 광원부
32b : 광검출부 34 : 센서하우징
36 : 하우징몸체 38 : 하우징수용부
40 : 코어부 50 : 탄성부

Claims (31)

  1. 센서부와, 상기 센서부를 수용하며 제 1 방향으로 형성되는 센서하우징을 갖는 센서유닛;
    상기 제 1 방향과 다른 제 2 방향으로 상기 센서하우징에 연결되는 탄성부로서, 외력에 의해 상기 센서하우징을 변형시키도록 구성되는 탄성부;를 포함하고,
    상기 센서부는,
    상기 센서하우징의 변형으로 발생하는 신호변화를 감지하도록 구성되는 복합강성센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호변화는,
    광신호변화를 포함하는 복합강성센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서하우징은,
    상기 탄성부에 작용하는 외력에 연동하여 변형되도록 구성되는 복합강성센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서부는,
    광원부;
    상기 광원부로부터의 광을 검출하는 광검출부로서, 상기 광원부와 상기 제 1 방향으로 이격되게 배치되는 광검출부;를 포함하는 복합강성센서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 센서하우징은,
    상기 광원부와 상기 광검출부사이에서 상기 제 1 방향으로 형성되는 코어부로서, 상기 광원부와 상기 광검출부사이에 광경로를 형성하는 코어부;를 포함하는 복합강성센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 센서하우징은,
    상기 광원부와 상기 광검출부가 각각 수용되는 제 1, 2 수용부;
    그 내부에 상기 코어부가 배치되며, 상기 제 1, 2 수용부를 연결하는 하우징몸체;를 포함하는 복합강성센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 탄성부는,
    상기 하우징몸체에 연결되도록 구성되는 복합강성센서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 탄성부는,
    상기 하우징몸체에 수직하게 연결되는 복합강성센서.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 탄성부는,
    상기 하우징몸체의 중앙에 연결되도록 구성되는 복합강성센서.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 하우징몸체는,
    상기 탄성부에 의해 변형이 발생하도록, 상기 제 1, 2 수용부보다 외면 중 적어도 일부가 오목하게 형성되는 몸체오복부;를 더 포함하는 복합강성센서.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 코어부의 광경로는,
    상기 광원부와, 상기 광검출부, 상기 하우징몸체에 의해 밀폐되도록 구성되는 복합강성센서.
  12. 제 5 항에 있어서,
    상기 신호변화는 광신호변화를 포함하고,
    상기 센서부는,
    상기 코어부의 상기 광경로 변형에 따른 상기 광신호변화를 감지하도록 구성되는 복합강성센서.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 탄성부는,
    상기 제 2 방향 또는 상기 제 1, 2 방향과 다른 제 3 방향으로 외력을 받아 변형가능하게 구성되며,
    상기 광원부와, 상기 광검출부는,
    상기 코어부를 중심으로 상기 제 1 방향 양단에 배치되되, 제 2, 3 방향의 변형으로 인한 광신호변화를 감지하도록 구성되는 복합강성센서.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서하우징은,
    상기 탄성부보다 탄성계수가 크도록 구성되는 복합강성센서.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성부는,
    상기 외력에 의한 변형이 상기 센서하우징보다 크도록 구성되는 복합강성센서.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 방향은,
    상기 제 1 방향과 수직한 방향인 복합강성센서.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서하우징과 상기 탄성부는,
    서로 다른 유연성을 갖는 엘라스토머로 구성되는 복합강성센서.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서하우징과 탄성부는,
    상기 외력에 의해 그 직경과 길이가 변형되도록 구성되는 복합강성센서.
  19. 탄성부;
    상기 탄성부에 연결되는 센서유닛으로서, 상기 탄성부에 가해지는 외력에 의해 변형가능하게 구성되는 센서유닛;을 포함하고,
    상기 센서유닛은,
    제 1 방향으로 형성되는 센서하우징;
    상기 센서하우징에 수용되는 광원과, 광검출부로서, 상기 제 1 방향으로 형성되는 광경로 양단에 배치되는 광원과 광검출부;를 포함하고,
    상기 탄성부는,
    상기 센서하우징에 연결되되, 상기 제 1 방향과 다른 제 2 방향으로 외력을 받도록 구성되는 복합강성센서.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 센서하우징은,
    상기 탄성부에 가해지는 외력에 의해 연동되어 변형되도록 구성되며,
    상기 광원과 광검출부는,
    상기 센서하우징의 변형에 의한 신호변화를 감지하도록 구성되는 복합강성센서.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 센서하우징은,
    상기 광원부와 상기 광검출부사이에서 상기 제 1 방향으로 형성되는 코어부로서, 상기 광원부와 상기 광검출부사이에 상기 광경로를 형성하는 코어부;를 포함하는 복합강성센서.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 센서하우징은,
    상기 광원부와 상기 광검출부가 각각 수용되는 제 1, 2 수용부;
    그 내부에 상기 코어부가 배치되며, 상기 제 1, 2 수용부를 연결하는 하우징몸체;를 포함하는 복합강성센서.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 탄성부는,
    상기 하우징몸체에 상기 제 2 방향 또는 상기 제 1, 2 방향과 다른 제 3 방향으로 연결되는 복합강성센서.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 신호변화는 광신호변화를 포함하고,
    상기 광원과, 광검출부는,
    상기 코어부의 상기 광경로 변형에 따른 상기 광신호변화를 감지하도록 구성되는 복합강성센서.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 광원부와, 상기 광검출부는,
    상기 코어부를 중심으로 상기 제 1 방향 양단에 배치되되, 제 2 방향의 변형으로 인한 상기 광신호변화를 감지하도록 구성되는 복합강성센서.
  26. 제 19 항에 있어서,
    상기 센서하우징은,
    상기 탄성부보다 탄성계수가 크도록 구성되는 복합강성센서.
  27. 탄성부;
    상기 탄성부에 연결되는 센서유닛으로서, 상기 탄성부에 가해지는 외력에 의해 변형가능하게 구성되는 센서유닛;을 포함하고,
    상기 센서유닛은,
    제 1 방향으로 형성되는 센서하우징으로서, 그 내부에 상기 제 1 방향으로 형성되는 수용공간을 형성하는 센서하우징;
    상기 센서하우징에 수용되는 광원과, 광검출부로서, 상기 수용공간 양단에 각각 배치되는 광원과 광검출부;를 포함하고,
    상기 탄성부는,
    상기 센서하우징에 연결되되, 상기 제 1 방향과 다른 제 2 방향으로 연결되도록 구성되는 복합강성센서.
  28. 센서부와, 상기 센서부를 수용하며 제 1 방향으로 형성되는 센서하우징을 갖는 센서유닛를 형성하는 단계;
    탄성부를 형성하는 단계;
    상기 제 1 방향과 다른 제 2 방향으로 상기 탄성부를 상기 센서유닛에 연결하는 단계;를 포함하는 복합강성센서 제조방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 센서유닛을 형성하는 단계는,
    유연성이 있는 센서하우징 혼합액을 몰드에 주입하여 상기 센서하우징의 하부몸체를 형성하는 단계;
    상기 광원부와 상기 광검출부를 상기 센서하우징의 하부에 형성된 제 1, 2 안착공간에 안착시키는 단계;
    상기 광원부와 상기 광검출부 사이에 코어부 혼합액을 주입하여 상기 센서하우징의 코어부를 형성하는 단계;를 포함하는 복합강성센서 제조방법.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 센서하우징과, 상기 탄성부는 서로 다른 유연성을 가지는 재질로 구성되는 복합강성센서 제조방법.
  31. 제 28 항에 있어서,
    상기 센서하우징은 상기 탄성부보다 탄성계수가 크도록 구성되는 복합강성센서 제조방법.
KR1020230007980A 2023-01-19 복합강성센서 및 그 제조방법 KR20240115953A (ko)

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