WO2018101617A1 - 정전 용량형 센서 - Google Patents

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WO2018101617A1
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김민철
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주식회사 로보터스
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Definitions

  • the present invention relates to a capacitive sensor, and more particularly, to a capacitive sensor that detects a six-axis force / torque using a change in capacitance.
  • Conventional force / torque sensors use a method of sensing or measuring force / torque using a strain gauge.
  • a sensor using a strain gauge is composed of a pair of external connectors to which an external force is applied, an elastic body connecting the pair of external connectors and a strain gauge attached to the elastic body to measure the amount of deformation of the elastic body.
  • the strain gauge detects or measures an external force by sensing a resistance that changes according to the amount of deformation of the elastic body deformed by an external force applied to an external connector.
  • Sensors using strain gauges are manufactured by attaching a large number of strain gauges to an elastic body. In this process, the manufacturing cost increases, and after a long time, the adhesive used to bond the strain gauges is cured to damage the adhesive. Problems such as this easily caused often occurred.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a capacitive sensor with a simpler structure lowering the manufacturing difficulty and improved durability.
  • An electrostatic capacitive sensor for solving the above problems is an upper block, at least one first electrode fixed to the upper block, a lower block positioned below the upper block, the first electrode At least one second electrode fixed to the lower block so that at least a portion thereof overlaps with each other, and a first support end supporting the upper block, a second support end supporting the lower block, the first support end and the second support. It includes a plurality of elastic support including an elastic deformation portion connected to the support end and elastically deformed by an external force acting on at least one of the upper block and the lower block.
  • At least some of the elastic deformation parts may be formed to have a closed loop shape.
  • At least some of the elastic deformation parts may be formed to have a zigzag shape.
  • At least some of the elastic deformation parts may be formed to have a Y shape.
  • the elastic deformation unit may include a pair of horizontal beams spaced apart from each other and a vertical beam connecting the pair of horizontal beams.
  • the first support end includes a first longitudinal support rod extending upward from the elastic deformation portion
  • the second support end includes a second longitudinal support rod extending downward from the elastic deformation portion
  • the first longitudinal support rod and the second longitudinal support rod may be positioned on different axes from the longitudinal beam.
  • the elastic deformation unit may include a pair of vertical beams spaced apart from each other and a horizontal beam connecting the pair of vertical beams.
  • the first support end may extend from any one of the pair of longitudinal beams, and the second support end may extend from the other of the pair of longitudinal beams.
  • One of the first support end and the second support end extends from at least one of the pair of longitudinal beams, and the other of the first support end and the second support end is the pair of horizontal beams. It can extend from.
  • the elastic deformation unit may include a plurality of horizontal beams spaced apart from each other and a plurality of vertical beams connecting the plurality of horizontal beams, and the plurality of vertical beams may be positioned on different axes.
  • the elastic deformation unit may include a plurality of vertical beams spaced apart from each other and a plurality of horizontal beams connecting the plurality of vertical beams, and the plurality of horizontal beams may be positioned on different axes.
  • Simple construction reduces manufacturing difficulty, improves durability and more accurately senses 6-axis force / torque.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a capacitive sensor according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a bottom surface of an upper block of a capacitive sensor according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view showing a lower surface of the upper block and the upper surface of the lower block of the capacitive sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view schematically showing the initial positions of the upper vertical electrode and the lower vertical electrode of the capacitive sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view schematically illustrating a positional change of an upper vertical electrode and a lower vertical electrode changed by an X-direction force Fx acting on the upper block of the capacitive sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view schematically illustrating a positional change of an upper vertical electrode and a lower vertical electrode changed by the Y-direction force Fy acting on the upper block of the capacitive sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view schematically illustrating a positional change of an upper vertical electrode and a lower vertical electrode changed by a Z-direction torque Tz acting on the upper block of the capacitive sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view schematically showing initial positions of an upper horizontal electrode and a lower horizontal electrode of the capacitive sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view schematically illustrating a positional change of an upper horizontal electrode and a lower horizontal electrode changed by a Z direction force Fz acting on an upper block of the capacitive sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view schematically illustrating a positional change of an upper horizontal electrode and a lower horizontal electrode which are changed by the X-direction torque Tx acting on the upper block of the capacitive sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a view schematically illustrating a positional change of an upper horizontal electrode and a lower horizontal electrode changed by the Y-direction torque Ty acting on the upper block of the capacitive sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is an exploded perspective view schematically illustrating an upper block and a lower block of a capacitive sensor according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a perspective view illustrating an assembled state of an upper block and a lower block of a capacitive sensor according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is an exploded perspective view schematically illustrating a lower surface of an upper block and a lower surface of a lower block of a capacitive sensor according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a perspective view illustrating an assembled state of an upper block and a lower block of a capacitive sensor according to a third embodiment of the present invention.
  • 16 is an exploded perspective view schematically illustrating a lower surface of an upper block and a lower surface of a lower block of a capacitive sensor according to a fourth embodiment of the present invention.
  • 17 to 22 is a front view showing an elastic support according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a capacitive sensor according to a first embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a perspective view showing a lower surface of the upper block of the capacitive sensor according to a first embodiment of the present invention
  • 3 is a view showing a lower surface of the upper block and the upper surface of the lower block of the capacitive sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • the capacitive sensor 1 includes an upper block 10, a lower block 30, and elastic supports 41, 42, 43.
  • the upper block 10 includes a housing 11 and a printed circuit board (PCB) 21.
  • PCB printed circuit board
  • the housing 11 is formed to form an accommodation space 14 therein.
  • the accommodating space 14 may accommodate at least a portion of the PCB 21, the elastic supports 41, 42, and 43, and the lower block 30.
  • the housing 11 may be combined with the lower block 30, in which case the lower end of the housing 11 is in contact with the top of the base plate 31 of the lower block 30 or surrounds the side of the base plate 31. Can be combined.
  • a plurality of first upper block fixing holes 12a, 12b and 12c and a plurality of first elastic support fixing holes 13a, 13b and 13c may be formed at an upper end of the housing 11.
  • the first upper block fixing holes 12a, 12b, and 12c are spaces into which a fixing member (not shown, for example, a screw) for fixing the PCB 21 to the housing 11 is inserted, and the first elastic support fixing hole.
  • 13a, 13b, and 13c are spaces into which fixing members (not shown, for example, screws) are inserted to fix the elastic supports 41, 42, and 43 to the housing 11.
  • the plurality of second upper block fixing holes 21a, 21b, and 21c corresponding to the plurality of first upper block fixing holes 12a, 12b, and 12c are formed in the PCB 21.
  • the second upper block fixing holes 21a, 21b and 21c are spaces in which the fixing member inserted through the first upper block fixing holes 12a, 12b and 12c is inserted.
  • the PCB 21 is fixed to the housing 11 by the fixing member and moves integrally with the housing 11.
  • a plurality of upper vertical electrodes 23a, 23b and 23c and a plurality of upper horizontal electrodes 24a, 24b and 24c are formed on the lower surface of the PCB 21.
  • the upper vertical electrodes 23a, 23b, and 23c protrude from the lower surface to have a surface perpendicular to the lower surface, and the upper horizontal electrodes 24a, 24b and 24c are parallel to the lower surface or formed on the same plane. It is formed to have.
  • the plurality of upper vertical electrodes 23a, 23b, and 23c may be arranged at equal intervals.
  • three upper vertical electrodes 23a, 23b, and 23c are disposed radially at intervals of 120 degrees, but four or more upper vertical electrodes may be disposed according to the exemplary embodiment.
  • the plurality of upper horizontal electrodes 24a, 24b, 24c may also be arranged at equal intervals.
  • three upper horizontal electrodes 24a, 24b, and 24c are arranged radially at intervals of 120 degrees.
  • four or more upper horizontal electrodes may be arranged according to the exemplary embodiment.
  • the upper vertical electrodes 23a, 23b and 23c and the upper horizontal electrodes 24a, 24b and 24c may be provided in different numbers.
  • the plurality of upper vertical electrodes 23a, 23b, 23c and the plurality of upper horizontal electrodes 24a, 24b, 24c may be arranged in a manner other than radial.
  • three electrodes may be arranged to form a substantially triangular shape, or four electrodes may be arranged to form a square shape.
  • the elastic support (41, 42, 43) is provided in plurality. Although three elastic supports 41, 42, and 43 are illustrated in the present embodiment, the number of elastic supports 41, 42, and 43 may vary depending on the embodiment.
  • the three elastic supports 41, 42, 43 may have the same structure, and for the convenience of description, one elastic support 41 will be described in detail, and the description of the other elastic supports 42, 43 will be described. Omit.
  • the elastic support 41 includes first support ends 41a and 41b, elastic deformation parts 41c, and second support ends 41d and 41e.
  • the first support ends 41a and 41b include a first horizontal support rod 41a and a first vertical support rod 41b.
  • the first horizontal support rod 41a is coupled to the housing 11.
  • a second elastic support fixing hole 41f is formed in the first horizontal support rod 41a.
  • the second elastic support fixing hole 41f is formed to correspond to the first elastic support fixing hole 13c, and a separate fixing member is formed as the first elastic support fixing hole 13c and the second elastic support fixing hole 41f. It is inserted to fix the elastic support 41 to the housing (11).
  • the first longitudinal support rod 41b extends downward from the center portion of the first horizontal support rod 41a to connect the first horizontal support rod 41a and the elastic deformation portion 41c.
  • the elastic deformation portion 41c is formed to facilitate elastic deformation by external force.
  • the elastic deformation portion 41c is formed to have a closed loop shape.
  • the shape of the elastic deformation part 41c may be variously modified, and a detailed description thereof will be described later.
  • the second support ends 41d and 41e include a second horizontal support rod 41e and a second vertical support rod 41d.
  • the second horizontal support rod 41e and the second vertical support rod 41d are symmetrically formed with the first horizontal support rod 41a and the first vertical support rod 41b about the elastic deformation portion 41c.
  • a third elastic support fixing hole 41g is formed in the second horizontal support rod 41e.
  • the third elastic support fixing hole 41g is a space in which a fixing member (not shown) for fixing the second horizontal support rod 41e to the lower block 30 is inserted.
  • the lower block 30 includes a base plate 31 and a lower horizontal electrode 31a protruding from an upper surface of the base plate 31.
  • the lower horizontal electrode 31a forms an upper surface of the lower block 30.
  • the lower horizontal electrode 31a is configured as one plate facing the plurality of upper horizontal electrodes 24a, 24b, and 24c. It may be composed of a plurality of lower horizontal electrodes separated from each other to correspond one-to-one.
  • the lower horizontal electrode 31a is parallel with the upper horizontal electrodes 24a, 24b, and 24c and at least partially overlaps. Accordingly, each of the upper horizontal electrodes 24a, 24b, and 24c functions as a capacitor having the lower horizontal electrode 31a and air as a dielectric layer, and the lower horizontal electrode 31a and the upper horizontal electrodes 24a, 24b, The capacitor composed of 24c) becomes part of the electronic circuit formed on the PCB 21. In some embodiments, a separate dielectric may be interposed between the upper horizontal electrodes 24a, 24b, and 24c and the lower horizontal electrode 31a.
  • the lower block 30 includes a plurality of electrode grooves 32a, 32b, and 32c recessed from the lower horizontal electrode 31a to the base plate 31.
  • the plurality of electrode grooves 32a, 32b and 32c respectively correspond to the positions of the plurality of upper vertical electrodes 23a, 23b and 23c and are formed to accommodate at least a portion of the plurality of upper vertical electrodes 23a, 23b and 23c. .
  • the upper vertical electrodes 23a, 23b, and 23c do not contact the bottom and side surfaces of the electrode grooves 32a, 32b, and 32c.
  • the surface facing the upper vertical electrodes 23a, 23b and 23c becomes the lower vertical electrodes 33a, 33b and 33c.
  • the lower vertical electrodes 33a, 33b, 33c are formed to have a surface perpendicular to the lower horizontal electrode 31a, which is the upper surface of the lower block 30, and at least partially overlap the upper vertical electrodes 23a, 23b, 23c. do.
  • Each of the upper vertical electrodes 23a, 23b, 23c and the lower vertical electrodes 33a, 33b, 33c functions as a capacitor having air as a dielectric layer, and the upper vertical electrodes 23a, 23b, 23c and the lower vertical electrodes.
  • the capacitor composed of the vertical electrodes 33a, 33b, 33c becomes part of the electronic circuit formed on the PCB 21.
  • a separate dielectric may be interposed between the upper vertical electrodes 23a, 23b and 23c and the lower vertical electrodes 33a, 33b and 33c.
  • a plurality of elastic support receiving grooves (34a, 34b, 34c) is formed on the upper surface of the base plate (31).
  • the elastic support receiving grooves 34a, 34b, and 34c are spaces in which the second horizontal support rods 41e of the elastic supports 41, 42, and 43 are inserted, and correspond to the positions of the elastic supports 41, 42, and 43. Is formed.
  • Fourth elastic support fixing holes 35a, 35b, and 35c are formed in each of the elastic support receiving grooves 34a, 34b, and 34c.
  • the fourth elastic support fixing holes 35a, 35b, and 35c are formed to correspond to the third elastic support fixing holes 41g, so that a separate fixing member is provided with the third elastic support fixing holes 41g and the fourth elastic support fixing holes. Inserted into (35a, 35b, 35c) to fix the elastic support (41, 42, 43) to the lower block (30).
  • the elastic supports 41, 42, and 43 may elastically support the upper block 10 and the lower block 30. Although the first horizontal support rod 41a of the elastic supports 41, 42, 43 is coupled to the housing 11, the PCB 21 is installed to be fixed to the housing 11, so that the entire upper block 10 is elastic. Resilient to the lower block 30 by the supports 41, 42, 43.
  • the gap between the upper vertical electrodes 23a, 23b, 23c and the lower vertical electrodes 33a, 33b, 33c changes, and the upper horizontal electrode
  • the interval between the 24a, 24b, 24c and the lower horizontal electrode 31a changes.
  • the upper block 10 and the lower block 30 are moved relative to each other by external force, so that the gap between the upper vertical electrodes 23a, 23b, 23c and the lower vertical electrodes 33a, 33b, 33c and the upper horizontal level.
  • the gap between the electrodes 24a, 24b, 24c and the lower horizontal electrode 31a changes, the electrostatic capacitance of the capacitor formed by the upper vertical electrodes 23a, 23b, 23c and the lower vertical electrodes 33a, 33b, 33c.
  • the capacitance changes, and the capacitance of the capacitor formed by the upper horizontal electrodes 24a, 24b, 24c and the lower horizontal electrode 31a changes.
  • the capacitive sensor 1 senses information about the force components Fx, Fy, and Fz and the torque components Tx, Ty, and Tz acting in three axes using the changing capacitance. .
  • the electronic circuit may be provided with a capacitance between the upper vertical electrodes 23a, 23b, 23c and the lower vertical electrodes 33a, 33b, 33c and between the upper horizontal electrodes 24a, 24b, 24c and the lower horizontal electrodes 31a. It may be an electronic circuit that outputs each capacitance.
  • the signal output from the electronic circuit may include information about the force components (Fx, Fy, Fz) and the torque components (Tx, Ty, Tz) acting in the three-axis direction.
  • An arithmetic unit for calculating the force components (Fx, Fy, Fz) and torque components (Tx, Ty, Tz) acting in the three-axis direction on the basis may be included.
  • FIGS. 4 to 11 illustrate the relative movement between the electrodes of the capacitive sensor according to the first embodiment, and unnecessary configuration is omitted, and the upper block 10 and the lower block 30 are circular. Simplified.
  • FIG. 4 is a view schematically showing the initial positions of the upper vertical electrode and the lower vertical electrode of the capacitive sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • the capacitive sensor 1 includes three upper vertical electrodes 23a, 23b, and 23c disposed at 120 degree intervals, and three lower vertical electrodes.
  • 33a, 33b, and 33c are provided to correspond in one-to-one correspondence with the three upper vertical electrodes 23a, 23b, and 23c.
  • the three upper vertical electrodes 23a, 23b, 23c are fixed to the upper block 10, and the three lower vertical electrodes 33a, 33b, 33c are formed on the lower block 30.
  • the three upper vertical electrodes 23a, 23b, and 23c and the three lower vertical electrodes 33a and 33b. , 33c) are present at approximately constant intervals in parallel.
  • the upper vertical electrode 33a parallel to the X axis in FIG. 4 is referred to as a first upper vertical electrode, and the upper vertical electrode located in a +120 degree direction from the first upper vertical electrode 23a.
  • the electrode 23b is referred to as the second upper vertical electrode, and the upper vertical electrode 23c positioned in the ⁇ 120 degree direction from the first upper vertical electrode 23a is referred to as a third upper vertical electrode.
  • the lower vertical electrode 33a facing the first upper vertical electrode 23a is the first lower vertical electrode
  • the lower vertical electrode 33b facing the second upper vertical electrode 23b is the second lower vertical electrode
  • the lower vertical electrode 33c facing the third upper vertical electrode 23c is referred to as a third lower vertical electrode.
  • the lower block 30 will be maintained in a fixed state, and the upper block 10 will be described on the assumption that the lower block 30 moves.
  • FIG. 5 is a view schematically illustrating a positional change of an upper vertical electrode and a lower vertical electrode changed by an X-direction force Fx acting on the upper block of the capacitive sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • the upper block 10 moves slightly in the X direction.
  • the distance between the first upper vertical electrode 23a and the first lower vertical electrode 33a does not change, and the second upper vertical electrode 23b and the second lower vertical electrode 33b do not change.
  • the distance is shortened, and the distance between the third upper vertical electrode 23c and the third lower vertical electrode 33c becomes long.
  • the capacitance C1 between the first upper vertical electrode 23a and the first lower vertical electrode 33a hardly changes (the first upper vertical electrode 23a and the first lower vertical electrode 33a are not changed).
  • the capacitance may be slightly reduced
  • the capacitance C2 between the second upper vertical electrode 23b and the second lower vertical electrode 33b is increased
  • the third upper vertical electrode is increased.
  • the capacitance C3 between 23c and the third lower vertical electrode 33c decreases.
  • the distance between the second upper vertical electrode 23b and the second lower vertical electrode 33b becomes shorter, and the third upper vertical electrode 23c ) And the third lower vertical electrode 33c become longer.
  • the capacitance C2 between Fx and the second upper vertical electrode 23b and the second lower vertical electrode 33b is proportional, and Fx and the third upper vertical electrode 23c and the third lower vertical electrode 33c are proportional to each other.
  • the capacitance C3 between) becomes inversely proportional.
  • This relationship can be used to detect the force Fx acting in the X direction.
  • FIG. 6 is a view schematically illustrating a positional change of an upper vertical electrode and a lower vertical electrode changed by the Y-direction force Fy acting on the upper block of the capacitive sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • the upper block 10 moves slightly in the Y direction.
  • the distance between the first upper vertical electrode 23a and the first lower vertical electrode 33a becomes long, and the second upper vertical electrode 23b and the second lower vertical electrode 33b are extended. The distance between them becomes short, and the distance between the third upper vertical electrode 23c and the third lower vertical electrode 33c becomes short.
  • the capacitance C1 between the first upper vertical electrode 23a and the first lower vertical electrode 33a decreases, and the electrostatic capacitance between the second upper vertical electrode 23b and the second lower vertical electrode 33b is reduced.
  • the capacitance C2 increases, and the capacitance C3 between the third upper vertical electrode 23c and the third lower vertical electrode 33c increases.
  • the distance between the first upper vertical electrode 23a and the first lower vertical electrode 33a becomes longer, and the second upper vertical electrode 23b ) And the distance between the second lower vertical electrode 33b become shorter, and the distance between the third upper vertical electrode 23c and the third lower vertical electrode 33c becomes shorter.
  • the capacitance C1 between Fy and the first upper vertical electrode 23a and the first lower vertical electrode 33a is inversely proportional
  • Fy and the second upper vertical electrode 23b and the second lower vertical electrode 33b are inversely proportional to each other.
  • the capacitance C2 between ⁇ is proportional
  • the capacitance C3 between Fy and the third upper vertical electrode 23c and the third lower vertical electrode 33c is proportional to each other.
  • This relationship can be used to detect the force Fy acting in the Y direction.
  • FIG. 7 is a view schematically illustrating a positional change of an upper vertical electrode and a lower vertical electrode changed by a Z-direction torque Tz acting on the upper block of the capacitive sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • the upper block 10 rotates in the Z direction as shown in FIG. 7.
  • the distance between the first upper vertical electrode 23a and the first lower vertical electrode 33a, between the second upper vertical electrode 23b and the second lower vertical electrode 33b The distance and the distance between the third upper vertical electrode 23c and the third lower vertical electrode 33c become longer.
  • the distance between the first upper vertical electrode 23a and the first lower vertical electrode 33a, the second upper vertical electrode 23b and the first the distance between the second lower vertical electrodes 33b and the distance between the third upper vertical electrodes 23c and the third lower vertical electrodes 33c become longer.
  • Tz is the capacitance C1 between the first upper vertical electrode 23a and the first lower vertical electrode 33a, and the capacitance between the second upper vertical electrode 23b and the second lower vertical electrode 33b. It is inversely proportional to the capacitance C3 between (C2) and the third upper vertical electrode 23c and the third lower vertical electrode 33c.
  • FIG. 8 is a view schematically showing initial positions of an upper horizontal electrode and a lower horizontal electrode of the capacitive sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • three upper horizontal electrodes 24a, 24b, and 24c are provided on the lower surface of the upper block 10. As shown in FIG. 3, three upper horizontal electrodes 24a, 24b, 24c are provided at 120 degree intervals.
  • the lower horizontal electrode 31 a protrudes from the base plate 31 of the lower block 30.
  • the three upper horizontal electrodes 24a, 24b, 24c and the lower horizontal electrode 31a are approximately parallel. It exists at a certain interval.
  • the upper horizontal electrode 24a positioned at the rightmost side as the first upper horizontal electrode and the upper horizontal electrode 24b positioned at the leftmost side as the second upper horizontal electrode will be described with reference to FIG. 8.
  • the upper horizontal electrode 24c positioned at the center is referred to as a third upper horizontal electrode.
  • FIG. 9 is a view schematically illustrating a positional change of an upper horizontal electrode and a lower horizontal electrode changed by a Z direction force Fz acting on an upper block of the capacitive sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • the distance between the three upper horizontal electrodes 24a, 24b, 24c and the lower horizontal electrode 31a becomes longer.
  • Fz is the capacitance C4 between the first upper horizontal electrode 24a and the lower horizontal electrode 31a, the capacitance C5 between the second upper horizontal electrode 24b and the lower horizontal electrode 31a, and It is inversely proportional to the capacitance C6 between the third upper horizontal electrode 24c and the lower horizontal electrode 31a.
  • FIG. 10 is a view schematically illustrating a positional change of an upper horizontal electrode and a lower horizontal electrode which are changed by the X-direction torque Tx acting on the upper block of the capacitive sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • the upper block 10 rotates in the X direction.
  • the distance between the first upper horizontal electrode 24a and the third upper horizontal electrode 24c and the lower horizontal electrode 31a is shortened, and the second upper horizontal electrode 24b and the lower portion are lowered.
  • the distance between the horizontal electrodes 31a becomes long.
  • the capacitance C4 between the first upper horizontal electrode 24a and the lower horizontal electrode 31a and the capacitance C6 between the third upper horizontal electrode 24c and the lower horizontal electrode 31a are increased and The capacitance C5 between the second upper horizontal electrode 24b and the lower horizontal electrode 31a decreases.
  • the distance between the first upper horizontal electrode 24a and the third upper horizontal electrode 24c and the lower horizontal electrode 31a becomes shorter, The distance between the second upper horizontal electrode 24b and the lower horizontal electrode 31a becomes longer.
  • the capacitance C4 between Tx and the first upper horizontal electrode 24a and the lower horizontal electrode 31a and the capacitance C6 between the third upper horizontal electrode 24c and the lower horizontal electrode 31a are In proportion, the capacitance C5 between Tx and the second upper horizontal electrode 24b and the lower horizontal electrode 31a is inversely proportional.
  • This relationship can be used to detect the torque Tx acting in the X direction.
  • FIG. 11 is a view schematically illustrating a positional change of an upper horizontal electrode and a lower horizontal electrode changed by the Y-direction torque Ty acting on the upper block of the capacitive sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • the distance between the second upper horizontal electrode 24b and the lower horizontal electrode 31a does not change significantly.
  • the distance between the first upper horizontal electrode 24a and the lower horizontal electrode 31a becomes longer, and the distance between the third upper horizontal electrode 24c and the lower horizontal electrode 31a becomes shorter.
  • the capacitance C5 between the second upper horizontal electrode 24b and the lower horizontal electrode 31a hardly changes, and the capacitance between the first upper horizontal electrode 24a and the lower horizontal electrode 31a ( C4) decreases, and the capacitance C6 between the third upper horizontal electrode 24c and the lower horizontal electrode 31a increases.
  • the distance between the first upper horizontal electrode 24a and the lower horizontal electrode 31a becomes longer, and the third upper horizontal electrode 24c The distance between the lower horizontal electrodes 31a becomes shorter.
  • the capacitance C4 between Ty and the first upper horizontal electrode 24a and the lower horizontal electrode 31a is inversely proportional
  • the electrostatic capacitance between Ty and the third upper horizontal electrode 24c and the lower horizontal electrode 31a is inversely proportional.
  • the capacity C6 becomes proportional.
  • This relationship can be used to detect the torque Ty acting in the Y direction.
  • FIG. 12 is an exploded perspective view schematically illustrating an upper block and a lower block of a capacitive sensor according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 13 is an upper block of the capacitive sensor according to a second embodiment of the present invention.
  • the upper block 210 of the capacitive sensor 2 according to the second embodiment of the present invention has a shape similar to that of the lower horizontal electrode 31a of the first embodiment.
  • the upper block 210 includes a plate 221 forming a body, and the side of the plate 221 functions as the upper vertical electrodes 223a, 223b, and 223c, and the lower surface of the plate 221 is the upper horizontal electrode. Function as. That is, in the present embodiment, the upper vertical electrodes 223a, 223b, and 223c are formed on the side surface of the upper block 210.
  • the lower block 230 includes a plurality of lower vertical electrodes 233a, 233b, and 233c protruding from the upper surface of the base plate 231, and a plurality of lower horizontal electrodes 232a, 232b, and 232c.
  • the plurality of lower horizontal electrodes 232a, 232b, and 232c overlap the lower surface of the plate 221.
  • the plurality of lower horizontal electrodes 232a, 232b, and 232c and the lower surfaces of the plate 221 are not in contact with each other.
  • the plurality of lower vertical electrodes 233a, 233b, and 233c are disposed to be spaced apart from the side surfaces of the plate 221, respectively.
  • a surface of the side surface of the plate 221 facing the lower vertical electrodes 233a, 233b, and 233c serves as the upper vertical electrodes 223a, 223b, and 223c.
  • the capacitive sensor 2 is also similar to the capacitive sensor 1 according to the first embodiment described above, and the upper block 210 has a top and side portions of the plate 221. It may further include a housing 11 surrounding the upper portion, or may further include an elastic support 41, 42, 43 for elastically supporting the upper block 210 and the lower block 230.
  • the elastic supports 41, 42, 43 elastically support the upper block 210 and the lower block 230, respectively, and the upper block 210 by the external force Fx, Fy, Fz, Tx, Ty, Tz.
  • the lower block 230 may be relatively movable.
  • the capacitive sensor 2 also has the external vertical electrodes 223a, 223b, and 223c and the lower vertical electrodes 233a, 233b, and 233c by the external force, and the upper and lower horizontal electrodes 232a and 232b.
  • the force component (Fx, Fy, Fz) and the torque component (Tx, Ty, Tz) acting in the three-axis direction can be detected by using the change of the interval / static capacitance between 232c).
  • the upper block 210 and the lower block 230 may be arranged such that their positions are inverted from each other. That is, the lower block 230 of FIGS. 12 and 13 is inverted 180 degrees to function as the upper block, and the upper block 210 is inverted 180 degrees to function as the lower block.
  • the plurality of lower vertical electrodes 233a, 233b, and 233c and the plurality of lower horizontal electrodes 232a, 232b, and 232c shown in FIG. 12 become upper vertical electrodes and upper horizontal electrodes, respectively.
  • the upper vertical electrodes 223a, 223b, and 223c formed on the side of the plate 221 become lower vertical electrodes, and one surface of the plate 221 functions as a lower horizontal electrode.
  • the upper vertical electrode protrudes from the lower surface of the upper block, and the lower vertical electrode is formed on the side of the lower block.
  • FIG. 14 is an exploded perspective view schematically illustrating a lower surface of an upper block and a lower surface of a lower block of a capacitive sensor according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 15 is an electrostatic force according to a third embodiment of the present invention. It is a perspective view which shows the assembled state of the upper block and lower block of a capacitive sensor.
  • the upper block 310 of the capacitive sensor 3 may include a plurality of upper vertical electrodes 323a, protruding from the lower surface of the upper plate 321. 323b and 323c and a plurality of upper horizontal electrodes 324a, 324b and 324c.
  • the lower block 330 includes a plurality of lower vertical electrodes 333a, 333b, and 333c protruding from the upper surface of the base plate 331, and a plurality of lower horizontal electrodes 332a, 332b, and 332c.
  • the plurality of upper vertical electrodes 323a, 323b, and 323c and the plurality of lower vertical electrodes 333a, 333b, and 333c are disposed to face each other without overlapping one another.
  • the plurality of upper vertical electrodes 323a, 323b, and 323c are formed not to contact the base plate 331, and the plurality of lower vertical electrodes 333a, 333b, and 333c are formed not to contact the upper plate 321. .
  • the plurality of upper horizontal electrodes 324a, 324b, and 324c are disposed on the upper portions of the plurality of lower horizontal electrodes 332a, 332b, and 332c, and disposed to overlap each other without being in contact with each other.
  • the housing 11 may further include a housing 11 surrounding the side portion, or may further include elastic supports 41, 42, and 43 that elastically support the upper block 310 and the lower block 330.
  • the elastic supports 41, 42, 43 elastically support the upper block 310 and the lower block 330, respectively, and the upper block 310 by the external force Fx, Fy, Fz, Tx, Ty, Tz.
  • the lower block 330 may be relatively movable.
  • the capacitive sensor 3 also includes the upper vertical electrodes 323a, 323b and 323c, the lower vertical electrodes 333a, 333b and 333c, and the upper horizontal electrodes 324a, 324b and 324c by an external force.
  • the force component (Fx, Fy, Fz) and torque component (Tx, Ty, Tz) acting in the three-axis direction can be detected using the change in the interval / change in capacitance between the lower horizontal electrodes 332a, 332b, and 332c. have.
  • 16 is an exploded perspective view schematically illustrating a lower surface of an upper block and a lower surface of a lower block of a capacitive sensor according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the capacitive sensor 4 according to the fourth embodiment of the present invention is the upper block 410 in comparison with the capacitive sensor 3 according to the third embodiment described above.
  • the shape of is somewhat different.
  • a plurality of upper vertical electrodes 423a, 423b, and 423c are recessed from the lower surface of the upper plate 321.
  • some of the lower vertical electrodes 333a, 333b, and 333c formed in the lower block 330 are inserted into the upper block 410 to face the upper vertical electrodes 423a, 423b, and 423c.
  • the gap between the upper block 410 and the lower block 330 is narrowed, so that the plurality of upper horizontal electrodes 424a,
  • the protrusion lengths 424b and 424c may be shorter than those of the third embodiment, or may be formed on the same plane as the lower surface of the upper plate 321.
  • 17 to 22 is a front view showing an elastic support according to another embodiment of the present invention.
  • the elastic support 241 shown in FIG. 17 is the first horizontal support rod 41a and the second compared with the elastic supports 41, 42, 43 of the capacitive sensor 1 according to the first embodiment described above. It has a configuration similar to that in which the transverse support rod 41e is omitted.
  • the elastic deformation portion 41c of the elastic support 241 has a closed loop shape.
  • the elastic deformation part 41c includes a pair of horizontal beams 241a and 241b spaced apart from each other, and a pair of vertical beams 241c and 241d connecting the pair of horizontal beams 241a and 241b to each other. .
  • the pair of longitudinal beams 241c and 241d are positioned on a different axis from the first longitudinal support rod 41b and the second longitudinal support rod 41d so that the elastic deformation portion 41c has elastic force by external force. do.
  • the elastic supports 41, 42, 43, and 241 illustrated in FIGS. 1 and 17, respectively, have a pair of longitudinal beams 241c and 241d formed on both sides of the pair of horizontal beams 241a and 241b, respectively.
  • the first vertical support rod 41b and the second vertical support rod 41d extend upward or downward from the center portions of the horizontal beams 241a and 241b, respectively.
  • FIGS. 1 and 17 illustrate elastic supports 41 and 241 having elastic deformation portions 41c having a closed loop shape
  • any one of a pair of longitudinal beams 241c and 241d is omitted according to an embodiment.
  • an elastic deformation portion having a loop shape in which the left side or the right side is open may be used.
  • the elastic deformation portion 341f of the elastic support 341 shown in FIG. 18 is a vertical beam 341d connecting a pair of horizontal beams 341c and 341e and a pair of horizontal beams 341c and 341e spaced apart from each other. ).
  • FIG. 17 While the elastic deformation portion 41c of the elastic support 241 shown in FIG. 17 is formed such that a pair of longitudinal beams 241c and 241d respectively connect both sides of the pair of horizontal beams 241a and 241b, FIG.
  • the elastic deformation portion 341f of the elastic support 341 shown in 18 is formed so that the vertical beams 341d connect the center portions of the pair of horizontal beams 341c and 341e.
  • the pair of first longitudinal support rods 341a and 341b constituting the first support end extend upward from both ends of the horizontal beam 241a and the pair of second longitudinal ends constituting the second support end.
  • the support rods 341g and 341h extend downward from both ends of the horizontal beam 341e.
  • the first longitudinal support rods 341a and 341b and the second longitudinal support rods 341g and 341h are positioned on a different axis from the longitudinal beams 341d.
  • the elastic support 441 shown in FIG. 19 includes an elastic deformation portion 441f of approximately Y shape.
  • the elastic deformation part 441f includes a pair of vertical beams 441c and 441d spaced apart from each other, and a horizontal beam 441e connecting the pair of vertical beams 441c and 441d.
  • the first longitudinal support rods 441a and 441b constituting the first support end extend upward from the pair of longitudinal beams 441c and 441d, respectively, and the second longitudinal support rods 441g constituting the second support end. ) Extends downward from the horizontal beam 441e.
  • the second longitudinal support rod 441g is positioned on an axis different from the pair of longitudinal beams 441c and 441d.
  • the elastic support 541 shown in FIG. 20 includes an elastic deformation portion 541f formed to have a zigzag shape.
  • the elastic deformation unit 541f connects the plurality of horizontal beams 541b, 541d, and 541f spaced apart from each other, and the plurality of vertical beams 541c and 541e connecting the plurality of horizontal beams 541b, 541d, and 541f to each other. Include.
  • the plurality of vertical beams 541c and 541e may include a first vertical beam 541c connecting one side of the first horizontal beam 541b and the second horizontal beam 541d, a second horizontal beam 541d and a third horizontal beam. And a second vertical beam 541e connecting the other side of the beam 541f.
  • the first vertical beam 541c and the second vertical beam 541e are positioned on different axes to induce elastic deformation of the elastic deformation portion 541f by external force.
  • the first vertical support rod 541a forming the first support end extends upward from the first horizontal beam 541b, and the second vertical support rod 541h forming the second support end is the third horizontal beam. It extends downward from 541f.
  • the first vertical support rod 541a and the second vertical support rod 541h are preferably formed on an axis different from the plurality of vertical beams 541c and 541e.
  • the elastic deformation portion 641e of the elastic support 641 shown in FIG. 21 has a horizontal beam 641c connecting the pair of longitudinal beams 641b and 641d and the pair of longitudinal beams 641b and 641d spaced apart from each other. It includes.
  • One side of the horizontal beam 641c extends from the bottom side of the first vertical beam 641b, and the other side of the horizontal beam 641c extends from the top side of the second vertical beam 641d.
  • the first vertical support rod 641a forming the first support end extends upwardly from the first vertical beam 641b, and the second vertical support rod 641f forming the second support end is formed first. It extends downward from 2 vertical beams 641d.
  • the elastic support 741 shown in FIG. 22 includes an elastic deformation portion 741f formed to have a zigzag shape.
  • the elastic deformation unit 741f includes a plurality of vertical beams 741b, 741d and 741f spaced apart from each other, and a plurality of horizontal beams 741c and 741e connecting the plurality of vertical beams 741b, 741d and 741f to each other. It includes.
  • the plurality of horizontal beams 741c and 741e may include a first horizontal beam 741c connecting one side of the first vertical beam 741b and the second vertical beam 741d, a second vertical beam 741d, and a third vertical beam. And a second horizontal beam 741e connecting the other side of the beam 741f.
  • the first horizontal beam 741c and the second horizontal beam 741e are positioned on different axes to induce elastic deformation of the elastic deformation part 741f by external force.
  • the first vertical support rod 741a forming the first support end extends upward from the first vertical beam 741b, and the second vertical support rod 741h forming the second support end is the third vertical beam. It extends downward from 741f.
  • the capacitive sensor uses the relative movement of the upper block and the upper block generated by an external force, so that the upper and lower vertical electrodes, the upper horizontal electrode and the lower horizontal electrode
  • the force components Fx, Fy, and Fz and the torque components Tx, Ty, and Tz acting in the triaxial direction are detected based on the change in capacitance.
  • the capacitive sensor according to the embodiments of the present invention is configured such that the elastic support supports the upper block and the lower block, respectively, thereby improving durability against external force (particularly, force acting in the Z direction).
  • the structure of the elastic support is simple and has a structure that is easily elastic deformation due to external force, it is possible to reduce the unit cost and production difficulty of the capacitive sensor.
  • the elastic support is in a separate configuration that is assembled to the upper block and the lower block, it is easy to replace the elastic support, which is advantageous for maintenance.
  • the capacitive sensor may include an upper block, at least one first electrode fixed to the upper block, a lower block positioned below the upper block, and at least a portion of the first electrode. At least one second electrode fixed to the lower block and a first support end supporting the upper block, a second support end supporting the lower block, the first support end and the second support end connected to the upper end It includes a plurality of elastic support including an elastic deformation portion elastically deformed by an external force acting on at least one of the block and the lower block.

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 정전 용량형 센서는, 상부 블록, 상기 상부 블록에 고정되는 적어도 하나의 제1 전극, 상기 상부 블록의 하부에 위치하는 하부 블록, 상기 제1 전극과 적어도 일부가 오버랩되도록 상기 하부 블록에 고정되는 적어도 하나의 제2 전극 및 상기 상부 블록을 지지하는 제1 지지단, 상기 하부 블록을 지지하는 제2 지지단, 상기 제1 지지단 및 상기 제2 지지단과 연결되어 상기 상부 블록 및 상기 하부 블록 중 적어도 하나에 작용하는 외력에 의해 탄성 변형되는 탄성 변형부를 포함하는 복수의 탄성 지지체를 포함한다.

Description

정전 용량형 센서
본 발명은 정전 용량형 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정전 용량의 변화를 이용해 6축 힘/토크를 감지하는 정전 용량형 센서에 관한 것이다.
종래의 힘/토크 센서는 대부분 스트레인 게이지를 이용하여 힘/토크를 감지 또는 측정하는 방식을 사용하고 있다.
일반적으로 스트레인 게이지를 이용하는 센서는 외력이 가해지는 한 쌍의 외부 연결구와, 한 쌍의 외부 연결구를 연결하는 탄성체 그리고 탄성체에 부착되어 탄성체의 변형량을 측정하는 스트레인 게이지로 구성된다. 스트레인 게이지는 외부 연결구에 가해지는 외력에 의해 변형되는 탄성체의 변형량에 따라 변화하는 저항을 감지하여 외력을 감지 또는 측정한다.
스트레인 게이지를 이용한 센서는 탄성체에 다수의 스트레인 게이지를 접착하는 방식으로 제조되는데, 이 과정에서 제조 경비가 상승하고, 오랜 시간이 경과한 후에는 스트레인 게이지를 접착하는데 사용되는 접착제가 경화되어 접착제의 손상이 쉽게 유발되는 등의 문제가 종종 발생하였다.
최근에는 광학적인 방법으로 탄성체의 변형량을 측정하는 방식의 센서가 개발되고 있으나, 다수의 광학 부품이 사용되어야 하므로 역시 제조 난이도 및 비용이 높은 한계가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 보다 단순한 구조로 제조 난이도를 낮추고 내구성이 향상된 정전 용량식 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 정전 용량형 센서는, 상부 블록, 상기 상부 블록에 고정되는 적어도 하나의 제1 전극, 상기 상부 블록의 하부에 위치하는 하부 블록, 상기 제1 전극과 적어도 일부가 오버랩되도록 상기 하부 블록에 고정되는 적어도 하나의 제2 전극 및 상기 상부 블록을 지지하는 제1 지지단, 상기 하부 블록을 지지하는 제2 지지단, 상기 제1 지지단 및 상기 제2 지지단과 연결되어 상기 상부 블록 및 상기 하부 블록 중 적어도 하나에 작용하는 외력에 의해 탄성 변형되는 탄성 변형부를 포함하는 복수의 탄성 지지체를 포함한다.
상기 탄성 변형부 중 적어도 일부는 폐루프의 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 탄성 변형부 중 적어도 일부는 지그재그의 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 탄성 변형부 중 적어도 일부는 Y 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 탄성 변형부는, 상호 이격된 한 쌍의 가로빔과 상기 한 쌍의 가로빔을 연결하는 세로빔을 포함할 수 있다.
상기 제1 지지단은 상기 탄성 변형부로부터 상방으로 연장되는 제1 세로 지지 로드를 포함하고, 상기 제2 지지단은 상기 탄성 변형부로부터 하방으로 연장되는 제2 세로 지지 로드를 포함하며, 상기 제1 세로 지지 로드 및 상기 제2 세로 지지 로드는 상기 세로빔과 서로 다른 축선 상에 위치할 수 있다.
상기 탄성 변형부는, 상호 이격된 한 쌍의 세로빔과 상기 한 쌍의 세로빔을 연결하는 가로빔을 포함할 수 있다.
상기 제1 지지단은 상기 한 쌍의 세로빔 중 어느 하나로부터 연장 형성되고, 상기 제2 지지단은 상기 한 쌍의 세로빔 중 다른 하나로부터 연장 형성될 수 있다.
상기 제1 지지단 및 상기 제2 지지단 중 어느 하나는 상기 한 쌍의 세로빔 중 적어도 하나로부터 연장 형성되고, 상기 제1 지지단 및 상기 제2 지지단 중 다른 하나는 상기 한 쌍의 가로빔으로부터 연장 형성될 수 있다.
상기 탄성 변형부는, 상호 이격된 복수의 가로빔과 상기 복수의 가로빔을 연결하는 복수의 세로빔을 포함하며, 상기 복수의 세로빔은 서로 다른 축선 상에 위치할 수 있다.
상기 탄성 변형부는, 상호 이격된 복수의 세로빔과 상기 복수의 세로빔을 연결하는 복수의 가로빔을 포함하며, 상기 복수의 가로빔은 서로 다른 축선 상에 위치할 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
단순한 구조로 제조 난이도를 낮추고, 향상된 내구성을 갖고, 보다 정확하게 6축 힘/토크를 감지한다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서를 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록의 하부면을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록의 하부면과 하부 블록의 상부면을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 수직 전극과 하부 수직 전극의 초기 위치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록에 작용하는 X방향 힘(Fx)에 의해 변화되는 상부 수직 전극과 하부 수직 전극의 위치 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록에 작용하는 Y방향 힘(Fy)에 의해 변화되는 상부 수직 전극과 하부 수직 전극의 위치 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록에 작용하는 Z방향 토크(Tz)에 의해 변화되는 상부 수직 전극과 하부 수직 전극의 위치 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 수평 전극과 하부 수평 전극의 초기 위치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록에 작용하는 Z방향 힘(Fz)에 의해 변화되는 상부 수평 전극과 하부 수평 전극의 위치 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록에 작용하는 X방향 토크(Tx)에 의해 변화되는 상부 수평 전극과 하부 수평 전극의 위치 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록에 작용하는 Y방향 토크(Ty)에 의해 변화되는 상부 수평 전극과 하부 수평 전극의 위치 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록과 하부 블록을 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록과 하부 블록의 조립된 상태를 도시한 사시도이다.
도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록의 하부면과 하부 블록의 하부면을 개략적을 도시한 분해 사시도이다.
도 15는 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록과 하부 블록의 조립된 상태를 도시한 사시도이다.
도 16은 본 발명의 제4 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록의 하부면과 하부 블록의 하부면을 개략적을 도시한 분해 사시도이다.
도 17 내지 도 22는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄성 지지체를 도시한 정면도이다.
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.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 또한 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성 요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 정전 용량형 센서를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대하여 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서를 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록의 하부면을 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록의 하부면과 하부 블록의 상부면을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서(1)는 상부 블록(10), 하부 블록(30) 및 탄성 지지체(41, 42, 43)를 포함한다.
상부 블록(10)은 하우징(11)과 PCB(printed circuit board, 21)를 포함한다.
하우징(11)은 내부에 수용 공간(14)을 형성하도록 형성된다. 수용 공간(14)으로는 PCB(21), 탄성 지지체(41, 42, 43), 그리고 하부 블록(30)의 적어도 일부가 수용될 수 있다.
하우징(11)은 하부 블록(30)과 결합될 수 있으며, 이 경우 하우징(11)의 하단은 하부 블록(30)의 베이스 플레이트(31)의 상단에 접하거나 베이스 플레이트(31)의 측면을 둘러싸도록 결합될 수 있다.
하우징(11)의 상단에는 복수의 제1 상부 블록 고정홀(12a, 12b, 12c)과 복수의 제1 탄성 지지체 고정홀(13a, 13b, 13c)이 형성될 수 있다.
제1 상부 블록 고정홀(12a, 12b, 12c)은 PCB(21)를 하우징(11)에 고정하기 위한 고정 부재(미도시, 예를 들면 스크류)가 삽입되는 공간이고, 제1 탄성 지지체 고정홀(13a, 13b, 13c)은 탄성 지지체(41, 42, 43)를 하우징(11)에 고정하기 위한 고정 부재(미도시, 예를 들면 스크류)가 삽입되는 공간이다.
PCB(21)에는 복수의 제1 상부 블록 고정홀(12a, 12b, 12c)과 대응되는 복수의 제2 상부 블록 고정홀(21a, 21b, 21c)이 형성된다. 제2 상부 블록 고정홀(21a, 21b, 21c)은 제1 상부 블록 고정홀(12a, 12b, 12c)을 통해 삽입된 고정 부재가 삽입되는 공간이다.
고정 부재에 의해 PCB(21)는 하우징(11)에 고정되며, 하우징(11)과 일체로 움직이게 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, PCB(21)의 하부면에는 복수의 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 복수의 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)이 형성된다.
상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)은 하부면에 수직한 면을 갖도록 하부면으로부터 돌출 형성되고, 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)은 하부면과 평행하거나 동일 평면 상에 형성되는 면을 갖도록 형성된다.
복수의 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)은 등간격으로 배치될 수 있다. 본 실시예에서는 3개의 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)이 방사형으로 120도 간격으로 배치되는 예를 도시하였지만, 실시예에 따라 4개 이상의 상부 수직 전극이 배치될 수도 있다.
유사하게, 복수의 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c) 역시 등간격으로 배치될 수 있다. 본 실시예에서는 3개의 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)이 방사형으로 120도 간격으로 배치되는 예를 도시하였지만, 실시예에 따라 4개 이상의 상부 수평 전극이 배치될 수도 있다.
또한, 실시예에 따라 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)는 서로 다른 개수로 구비될 수도 있다.
또한, 복수의 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 복수의 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)은 방사형이 아닌 다른 방식으로 배치될 수 있다. 예를 들면, 3개의 전극이 대략 삼각 형상을 이루도록 배치되거나, 4개의 전극이 사각 형상을 이루도록 배치될 수도 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 탄성 지지체(41, 42, 43)는 복수 개로 구비된다. 본 실시예에서는 3개의 탄성 지지체(41, 42, 43)를 도시하였지만, 실시예에 따라 탄성 지지체(41, 42, 43)의 개수는 변경될 수 있다.
3개의 탄성 지지체(41, 42, 43)는 동일한 구조를 가질 수 있으며, 설명의 편의를 위해 하나의 탄성 지지체(41)에 대해 구체적으로 설명하고, 다른 탄성 지지체(42, 43)에 대한 설명은 생략한다.
탄성 지지체(41)는 제1 지지단(41a, 41b), 탄성 변형부(41c), 제2 지지단(41d, 41e)을 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제1 지지단(41a, 41b)는 제1 가로 지지 로드(41a)와 제1 세로 지지 로드(41b)를 포함한다.
제1 가로 지지 로드(41a)는 하우징(11)에 결합된다. 이를 위해 제1 가로 지지 로드(41a)에는 제2 탄성 지지체 고정홀(41f)이 형성된다. 제2 탄성 지지체 고정홀(41f)은 제1 탄성 지지체 고정홀(13c)과 대응되도록 형성되며, 별도의 고정 부재가 제1 탄성 지지체 고정홀(13c)과 제2 탄성 지지체 고정홀(41f)로 삽입되어 탄성 지지체(41)를 하우징(11)에 고정한다.
제1 세로 지지 로드(41b)는 제1 가로 지지 로드(41a)의 중앙부로부터 하방으로 연장 형성되어 제1 가로 지지 로드(41a)와과 탄성 변형부(41c)를 연결한다.
탄성 변형부(41c)는 외력에 의한 탄성 변형이 용이하도록 형성된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 탄성 변형부(41c)는 폐루프 형상을 갖도록 형성된다. 실시예에 따라 탄성 변형부(41c)의 형상은 다양하게 변형될 수 있으며, 이에 보다 구체적인 설명은 후술한다.
제2 지지단(41d, 41e)은 제2 가로 지지 로드(41e)와 제2 세로 지지 로드(41d)를 포함한다.
제2 가로 지지 로드(41e) 및 제2 세로 지지 로드(41d)는 탄성 변형부(41c)를 중심으로 제1 가로 지지 로드(41a)및 제1 세로 지지 로드(41b)와 대칭 형성된다. 제2 가로 지지 로드(41e)에는 제3 탄성 지지체 고정홀(41g)이 형성된다. 제3 탄성 지지체 고정홀(41g)는 제2 가로 지지 로드(41e)는 하부 블록(30)에 고정하기 위한 고정 부재(미도시)가 삽입되는 공간이다.
한편, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 하부 블록(30)은 베이스 플레이트(31)와 베이스 플레이트(31)의 상부면으로부터 돌출 형성되는 하부 수평 전극(31a)을 포함한다. 본 실시예에서 하부 수평 전극(31a)은 하부 블록(30)의 상부면을 형성한다.
본 실시예에서는 하부 수평 전극(31a)을 복수의 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)과 마주하는 하나의 플레이트로 구성하였으나, 실시예에 따라 복수의 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)에 일대일로 대응하도록 서로 분리된 복수의 하부 수평 전극으로 구성될 수도 있다.
하부 수평 전극(31a)은 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)과 평행하고 적어도 일부가 오버랩된다. 따라서, 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c) 각각은 하부 수평 전극(31a)과 공기를 유전층으로 하는 커패시터(capacitor)로서 기능하게 되며, 하부 수평 전극(31a)과 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)으로 구성되는 커패시터는 PCB(21)에 형성되는 전자 회로의 일부가 된다. 실시예에 따라 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이에 별도의 유전체를 개재할 수도 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 하부 블록(30)은 하부 수평 전극(31a)으로부터 베이스 플레이트(31)까지 함몰 형성되는 복수의 전극홈(32a, 32b, 32c)을 포함한다. 복수의 전극홈(32a, 32b, 32c)은 복수의 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)의 위치와 각각 대응되며 복수의 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)의 적어도 일부가 수용되도록 형성된다. 본 실시예에 따른 정전 용량형 센서(1)가 조립된 상태에서, 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)은 전극홈(32a, 32b, 32c)의 바닥면 및 측면과 접하지 않는다.
전극홈(32a, 32b, 32c)의 측면 중 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 마주하는 면은 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c)이 된다. 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c)은 하부 블록(30)의 상부면인 하부 수평 전극(31a)과 수직한 면을 갖도록 형성되며, 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 적어도 일부가 오버랩된다.
각각의 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c)은 공기를 유전층으로 하는 커패시터(capacitor)로서 기능하게 되며, 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c)으로 구성되는 커패시터는 PCB(21)에 형성되는 전자 회로의 일부가 된다. 실시예에 따라 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c) 사이에 별도의 유전체를 개재할 수도 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 베이스 플레이트(31)의 상면에는 복수의 탄성 지지체 수용홈(34a, 34b, 34c)이 형성된다. 탄성 지지체 수용홈(34a, 34b, 34c)은 탄성 지지체(41, 42, 43)의 제2 가로 지지 로드(41e)가 삽입되는 공간으로, 탄성 지지체(41, 42, 43)의 위치와 대응되도록 형성된다.
그리고 각각의 탄성 지지체 수용홈(34a, 34b, 34c)에는 제4 탄성 지지체 고정홀(35a, 35b, 35c)가 형성된다. 제4 탄성 지지체 고정홀(35a, 35b, 35c)은 제3 탄성 지지체 고정홀(41g)과 대응되도록 형성되어, 별도의 고정 부재가 제3 탄성 지지체 고정홀(41g)과 제4 탄성 지지체 고정홀(35a, 35b, 35c)에 삽입되어 탄성 지지체(41, 42, 43)를 하부 블록(30)에 고정한다.
탄성 지지체(41, 42, 43)는 상부 블록(10)과 하부 블록(30)을 탄성 지지하게 된다. 탄성 지지체(41, 42, 43)의 제1 가로 지지 로드(41a)가 하우징(11)에 결합되지만, PCB(21)가 하우징(11)에 고정되도록 설치되므로, 상부 블록(10) 전체가 탄성 지지체(41, 42, 43)에 의해 하부 블록(30)에 대해 탄성된다.
따라서, 하우징(11)에 외력이 가해지면 상부 블록(10)은 하부 블록(30)에 대해 상대적으로 이동하게 된다. 반대로, 하부 블록(30)에 외력이 가해지면, 하부 블록(30)은 상부 블록(10)에 대해 상대적으로 이동하게 된다.
상부 블록(10)과 하부 블록(30)이 서로 상대적으로 이동함에 따라, 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c) 사이의 간격이 변화하고, 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 간격이 변화한다.
커패시터의 정전 용량(C)은 아래와 같은 유전율(ε) 및 오버랩 면적(A)에 비례하고, 전극 사이의 간격(d)에 반비례한다(C= εA/d).
따라서, 외력에 의해 상부 블록(10)과 하부 블록(30)이 서로 상대적으로 이동하여, 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c) 사이의 간격과 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 간격이 변화하면, 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c)에 의해 형성되는 커패시터의 정전 용량이 변화하고, 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)과 하부 수평 전극(31a)에 의해 형성되는 커패시터의 정전 용량이 변화한다.
본 실시예에 따른 정전 용량형 센서(1)는 변화하는 정전 용량을 이용해 3축 방향으로 작용하는 힘 성분(Fx, Fy, Fz) 및 토크 성분(Tx, Ty, Tz)에 대한 정보를 센싱한다.
PCB(21), 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c), 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c), 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c) 및 하부 수평 전극(31a)에 의해 구성되는 전자 회로는 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c) 간의 정전 용량 및 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량의 변화에 대응하여 변화하는 시그널을 출력하는 전자 회로일 수 있다.
일례로서, 전자 회로는 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c) 간의 정전 용량과 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량을 각각 출력하는 전자 회로일 수 있다.
또는, 전자 회로에서 출력되는 시그널에는 3축 방향으로 작용하는 힘 성분(Fx, Fy, Fz) 및 토크 성분(Tx, Ty, Tz)에 대한 정보가 포함될 수 있다. 이 경우, 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c) 간의 정전 용량과 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량에 기초하여 3축 방향으로 작용하는 힘 성분(Fx, Fy, Fz) 및 토크 성분(Tx, Ty, Tz)를 연산하는 연산부가 포함될 수 있다.
이하에서는, 도 4 내지 도 11을 참고하여 3축 방향으로 작용하는 힘(Fx, Fy, Fz)/토크(Tx, Ty, Tz)와 정전 용량의 변화에 대한 관계에 대해 구체적으로 설명한다. 도 4 내지 도 11은 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 전극들 사이의 상대적인 이동을 설명하기 위한 것으로서 설명에 불필요한 구성은 생략하였고, 상부 블록(10)과 하부 블록(30)은 원형으로 단순화하였다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 수직 전극과 하부 수직 전극의 초기 위치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서(1)는 3개의 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)이 120도 간격으로 구비되고, 3개의 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c)이 3개의 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 일대일로 대응되도록 구비된다. 전술한 바와 같이, 3개의 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)은 상부 블록(10)에 고정되고, 3개의 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c)은 하부 블록(30)에 형성된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상부 블록(10) 및 하부 블록(30)에 외력이 가해지지 않는 상황에서는, 3개의 상부 수직 전극(23a, 23b, 23c)과 3개의 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c)이 대략 평행하게 일정 간격을 유지한 상태로 존재한다.
이하에서는 설명의 편의를 위해, 도 4에서 X축에 평행한 상부 수직 전극(33a)을 제1 상부 수직 전극으로 지칭하고, 제1 상부 수직 전극(23a)으로부터 +120도 방향에 위치하는 상부 수직 전극(23b)을 제2 상부 수직 전극으로, 제1 상부 수직 전극(23a)으로부터 -120도 방향에 위치하는 상부 수직 전극(23c)을 제3 상부 수직 전극으로 지칭한다.
그리고, 제1 상부 수직 전극(23a)과 마주하는 하부 수직 전극(33a)를 제1 하부 수직 전극으로, 제2 상부 수직 전극(23b)과 마주하는 하부 수직 전극(33b)를 제2 하부 수직 전극으로, 제3 상부 수직 전극(23c)과 마주하는 하부 수직 전극(33c)를 제3 하부 수직 전극으로 지칭한다.
그리고, 하부 블록(30)을 고정된 상태로 유지되고, 상부 블록(10)이 하부 블록(30)에 대해 움직이는 것을 전제로 설명한다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록에 작용하는 X방향 힘(Fx)에 의해 변화되는 상부 수직 전극과 하부 수직 전극의 위치 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
상부 블록(10)에 X방향 힘(Fx)이 작용하면, 도 5에 도시된 바와 같이, 상부 블록(10)은 X방향으로 소폭 이동하게 된다. 상부 블록(10)의 이동에 의해, 제1 상부 수직 전극(23a)과 제1 하부 수직 전극(33a) 사이의 거리는 변화하지 않고, 제2 상부 수직 전극(23b)과 제2 하부 수직 전극(33b) 사이의 거리는 짧아지고, 제3 상부 수직 전극(23c)과 제3 하부 수직 전극(33c) 사이의 거리는 길어진다.
따라서, 제1 상부 수직 전극(23a)과 제1 하부 수직 전극(33a) 사이의 정전 용량(C1)은 거의 변화하지 않고(제1 상부 수직 전극(23a)과 제1 하부 수직 전극(33a)의 오버랩 면적이 작아지는 경우에는 정전 용량이 소폭 감소할 수 있음), 제2 상부 수직 전극(23b)과 제2 하부 수직 전극(33b) 사이의 정전 용량(C2)은 증가하고, 제3 상부 수직 전극(23c)과 제3 하부 수직 전극(33c) 사이의 정전 용량(C3)은 감소한다.
상부 블록(10)에 가해지는 X방향 힘(Fx)이 커짐에 따라, 제2 상부 수직 전극(23b)과 제2 하부 수직 전극(33b) 사이의 거리는 더욱 짧아지고, 제3 상부 수직 전극(23c)과 제3 하부 수직 전극(33c) 사이의 거리는 더욱 길어진다.
따라서, Fx와 제2 상부 수직 전극(23b)과 제2 하부 수직 전극(33b) 사이의 정전 용량(C2)은 비례하고, Fx와 제3 상부 수직 전극(23c)과 제3 하부 수직 전극(33c) 사이의 정전 용량(C3)은 반비례하게 된다.
이러한 관계를 이용해 X 방향으로 작용하는 힘(Fx)을 검출할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록에 작용하는 Y방향 힘(Fy)에 의해 변화되는 상부 수직 전극과 하부 수직 전극의 위치 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
상부 블록(10)에 Y방향 힘(Fy)이 작용하면, 도 6에 도시된 바와 같이, 상부 블록(10)은 Y방향으로 소폭 이동하게 된다. 상부 블록(10)의 이동에 의해, 제1 상부 수직 전극(23a)과 제1 하부 수직 전극(33a) 사이의 거리는 길어지고, 제2 상부 수직 전극(23b)과 제2 하부 수직 전극(33b) 사이의 거리는 짧아지고, 제3 상부 수직 전극(23c)과 제3 하부 수직 전극(33c) 사이의 거리는 짧아진다.
따라서, 제1 상부 수직 전극(23a)과 제1 하부 수직 전극(33a) 사이의 정전 용량(C1)은 감소하고, 제2 상부 수직 전극(23b)과 제2 하부 수직 전극(33b) 사이의 정전 용량(C2)은 증가하고, 제3 상부 수직 전극(23c)과 제3 하부 수직 전극(33c) 사이의 정전 용량(C3)은 증가한다.
상부 블록(10)에 가해지는 Y방향 힘(Fy)이 커짐에 따라, 제1 상부 수직 전극(23a)과 제1 하부 수직 전극(33a) 사이의 거리는 더욱 길어지고, 제2 상부 수직 전극(23b)과 제2 하부 수직 전극(33b) 사이의 거리는 더욱 짧아지고, 제3 상부 수직 전극(23c)과 제3 하부 수직 전극(33c) 사이의 거리는 더욱 짧아진다.
따라서, Fy와 제1 상부 수직 전극(23a)과 제1 하부 수직 전극(33a) 사이의 정전 용량(C1)은 반비례하고, Fy와 제2 상부 수직 전극(23b)과 제2 하부 수직 전극(33b) 사이의 정전 용량(C2)은 비례하고, Fy와 제3 상부 수직 전극(23c)과 제3 하부 수직 전극(33c) 사이의 정전 용량(C3)은 비례하게 된다.
이러한 관계를 이용해 Y방향으로 작용하는 힘(Fy)을 검출할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록에 작용하는 Z방향 토크(Tz)에 의해 변화되는 상부 수직 전극과 하부 수직 전극의 위치 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
상부 블록(10)에 Z방향 토크(Tz)가 작용하면, 도 7에 도시된 바와 같이, 상부 블록(10)은 Z방향으로 회전하게 된다. 상부 블록(10)의 회전에 의해, 제1 상부 수직 전극(23a)과 제1 하부 수직 전극(33a) 사이의 거리, 제2 상부 수직 전극(23b)과 제2 하부 수직 전극(33b) 사이의 거리 및 제3 상부 수직 전극(23c)과 제3 하부 수직 전극(33c) 사이의 거리는 길어진다.
따라서, 제1 상부 수직 전극(23a)과 제1 하부 수직 전극(33a) 사이의 정전 용량(C1), 제2 상부 수직 전극(23b)과 제2 하부 수직 전극(33b) 사이의 정전 용량(C2) 및 제3 상부 수직 전극(23c)과 제3 하부 수직 전극(33c) 사이의 정전 용량(C3)은 감소한다.
상부 블록(10)에 가해지는 Z방향 토크(Tz)가 커짐에 따라, 제1 상부 수직 전극(23a)과 제1 하부 수직 전극(33a) 사이의 거리, 제2 상부 수직 전극(23b)과 제2 하부 수직 전극(33b) 사이의 거리 및 제3 상부 수직 전극(23c)과 제3 하부 수직 전극(33c) 사이의 거리는 더욱 길어진다.
따라서, Tz는 제1 상부 수직 전극(23a)과 제1 하부 수직 전극(33a) 사이의 정전 용량(C1), 제2 상부 수직 전극(23b)과 제2 하부 수직 전극(33b) 사이의 정전 용량(C2) 및 제3 상부 수직 전극(23c)과 제3 하부 수직 전극(33c) 사이의 정전 용량(C3)과 반비례한다.
이러한 관계를 이용해 Z방향으로 작용하는 토크(Tz)를 검출할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 수평 전극과 하부 수평 전극의 초기 위치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서(1)는 3개의 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)이 상부 블록(10)의 하부면에 구비된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 3개의 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)은 120도 간격으로 구비된다. 그리고, 하부 수평 전극(31a)은 하부 블록(30)의 베이스 플레이트(31)로부터 돌출 형성된다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상부 블록(10) 및 하부 블록(30)에 외력이 가해지지 않는 상황에서는, 3개의 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)과 하부 수평 전극(31a)이 대략 평행하게 일정 간격을 유지한 상태로 존재한다.
이하에서는 설명의 편의를 위해, 도 8을 기준으로 최우측에 위치하는 상부 수평 전극(24a)을 제1 상부 수평 전극으로, 최좌측에 위치하는 상부 수평 전극(24b)을 제2 상부 수평 전극으로, 중앙에 위치하는 상부 수평 전극(24c)을 제3 상부 수평 전극으로 지칭한다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록에 작용하는 Z방향 힘(Fz)에 의해 변화되는 상부 수평 전극과 하부 수평 전극의 위치 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
상부 블록(10)에 Z방향 힘(Fz)이 작용하면, 도 9에 도시된 바와 같이, 상부 블록(10)은 Z방향으로 소폭 이동하게 된다. 상부 블록(10)의 이동에 의해, 3개의 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 거리는 길어진다.
따라서, 제1 상부 수평 전극(24a)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C4), 제2 상부 수평 전극(24b)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C5) 및 제3 상부 수평 전극(24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C6)은 모두 감소한다.
상부 블록(10)에 가해지는 Z방향 힘(Fz)이 커짐에 따라, 3개의 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 거리는 더욱 길어진다.
따라서, Fz는 제1 상부 수평 전극(24a)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C4), 제2 상부 수평 전극(24b)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C5) 및 제3 상부 수평 전극(24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C6)과 반비례한다.
이러한 관계를 이용해 Z방향으로 작용하는 힘(Fz)을 검출할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록에 작용하는 X방향 토크(Tx)에 의해 변화되는 상부 수평 전극과 하부 수평 전극의 위치 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
상부 블록(10)에 X방향 토크(Tx)가 작용하면, 도 10에 도시된 바와 같이, 상부 블록(10)은 X방향으로 회전하게 된다. 상부 블록(10)의 회전에 의해, 제1 상부 수평 전극(24a) 및 제3 상부 수평 전극(24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 거리는 짧아지고, 제2 상부 수평 전극(24b)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 거리는 길어진다.
따라서, 제1 상부 수평 전극(24a)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C4) 및 제3 상부 수평 전극(24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C6)은 증가하고, 제2 상부 수평 전극(24b)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C5)은 감소한다.
상부 블록(10)에 가해지는 X방향 토크(Tx)가 커짐에 따라, 제1 상부 수평 전극(24a) 및 제3 상부 수평 전극(24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 거리는 더욱 짧아지고, 제2 상부 수평 전극(24b)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 거리는 더욱 길어진다.
따라서, Tx와 제1 상부 수평 전극(24a)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C4) 및 제3 상부 수평 전극(24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C6)은 비례하고, Tx와 제2 상부 수평 전극(24b)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C5)은 반비례하게 된다.
이러한 관계를 이용해 X방향으로 작용하는 토크(Tx)를 검출할 수 있다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록에 작용하는 Y방향 토크(Ty)에 의해 변화되는 상부 수평 전극과 하부 수평 전극의 위치 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
상부 블록(10)에 Y방향 토크(Ty)가 작용하면, 도 11에 도시된 바와 같이, 상부 블록(10)은 Y방향으로 회전하게 된다.
제2 상부 수평 전극(24b)은 Y축에 인접하여 위치하므로 제2 상부 수평 전극(24b)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 거리는 크게 변하지 않는다.
그러나, 제1 상부 수평 전극(24a)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 거리는 길어지고, 제3 상부 수평 전극(24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 거리는 짧아진다.
따라서, 제2 상부 수평 전극(24b)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C5)은 거의 변화하지 않고, 제1 상부 수평 전극(24a)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C4)은 감소하고, 제3 상부 수평 전극(24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C6)은 증가한다.
상부 블록(10)에 가해지는 Y방향 토크(Ty)가 커짐에 따라, 제1 상부 수평 전극(24a)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 거리는 더욱 길어지고, 제3 상부 수평 전극(24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 거리는 더욱 짧아진다.
따라서, Ty와 제1 상부 수평 전극(24a)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C4)은 반비례하고, Ty와 제3 상부 수평 전극(24c)과 하부 수평 전극(31a) 사이의 정전 용량(C6)은 비례하게 된다.
이러한 관계를 이용해 Y방향으로 작용하는 토크(Ty)를 검출할 수 있다.
상부 수직 전극(23a, 23b, 23c), 하부 수직 전극(33a, 33b, 33c), 상부 수평 전극(24a, 24b, 24c)의 X, Y, Z 축에 대한 상대적인 위치의 변화에 따라 3축 방향으로 작용하는 힘 성분(Fx, Fy, Fz) 및 토크 성분(Tx, Ty, Tz)을 검출하는 방법은 달라질 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전 용량형 센서에 대해 설명한다. 설명의 편의를 위하여 제1 실시예와 유사한 부분은 동일한 도면부호를 사용하고, 제1 실시예와 공통되는 부분은 그 설명을 생략한다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록과 하부 블록을 개략적으로 도시한 분해 사시도이고, 도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록과 하부 블록의 조립된 상태를 도시한 사시도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전 용량형 센서(2)의 상부 블록(210)은 제1 실시예의 하부 수평 전극(31a)과 유사한 형상을 갖는다.
상부 블록(210)은 몸체를 형성하는 플레이트(221)를 포함하며, 플레이트(221)의 측면은 상부 수직 전극(223a, 223b, 223c)으로 기능하고, 플레이트(221)의 하부면은 상부 수평 전극으로 기능한다. 즉, 본 실시예에서는 상부 수직 전극(223a, 223b, 223c)이 상부 블록(210)의 측면에 형성된다.
한편, 하부 블록(230)은 베이스 플레이트(231)의 상부면에 돌출 형성되는 복수의 하부 수직 전극(233a, 233b, 233c)과 복수의 하부 수평 전극(232a, 232b, 232c)을 포함한다.
도 13에 도시된 바와 같이, 복수의 하부 수평 전극(232a, 232b, 232c)은 플레이트(221)의 하부면과 오버랩된다. 복수의 하부 수평 전극(232a, 232b, 232c)과 플레이트(221)의 하부면은 서로 접촉하지 않은 상태를 유지한다.
또한, 복수의 하부 수직 전극(233a, 233b, 233c)은 각각 플레이트(221)의 측면과 이격되도록 배치된다. 플레이트(221)의 측면 중 하부 수직 전극(233a, 233b, 233c)들과 마주하는 면이 상부 수직 전극(223a, 223b, 223c)으로 기능하게 된다.
도시되지는 않았지만, 본 실시예에 따른 정전 용량형 센서(2) 역시 전술한 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서(1)와 유사하게 상부 블록(210)은 플레이트(221)의 상부 및 측부를 둘러싸는 하우징(11)을 더 포함하거나, 상부 블록(210)과 하부 블록(230)을 탄성 지지하는 탄성 지지체(41, 42, 43)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 탄성 지지체(41, 42, 43)는 상부 블록(210)과 하부 블록(230)을 각각 탄성 지지하여, 외력(Fx, Fy, Fz, Tx, Ty, Tz)에 의해 상부 블록(210)과 하부 블록(230)이 상대적으로 움직일 수 있도록 구성될 수 있다.
본 실시예에 따른 정전 용량형 센서(2) 역시, 외력에 의해 상부 수직 전극(223a, 223b, 223c)과 하부 수직 전극(233a, 233b, 233c), 상부 수평 전극과 하부 수평 전극(232a, 232b, 232c) 사이의 간격 변화/정전 용량의 변화를 이용해 3축 방향으로 작용하는 힘 성분(Fx, Fy, Fz) 및 토크 성분(Tx, Ty, Tz)을 검출할 수 있다.
제2 실시예에 따른 정전 용량형 센서(2)의 변형예로서, 상부 블록(210)과 하부 블록(230)이 서로 위치가 반전되도록 배치될 수 있다. 즉, 도 12 및 도 13의 하부 블록(230)이 180도 반전되어 상부 블록으로서 기능하고, 상부 블록(210)이 180도 반전되어 하부 블록으로서 기능하게 된다.
이 경우, 도 12에 도시된 복수의 하부 수직 전극(233a, 233b, 233c)과 복수의 하부 수평 전극(232a, 232b, 232c)은 각각 상부 수직 전극과 상부 수평 전극이 된다. 그리고 플레이트(221)의 측면에 형성된 상부 수직 전극(223a, 223b, 223c)은 하부 수직 전극이 되고, 플레이트(221)의 일면은 하부 수평 전극으로 기능하게 된다.
즉, 변형예에 따른 정전 용량형 센서에서는 상부 수직 전극이 상부 블록의 하부면으로부터 돌출 형성되고, 하부 수직 전극은 하부 블록의 측면에 형성되게 된다.
이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전 용량형 센서에 대해 설명한다. 설명의 편의를 위하여 제1 실시예와 유사한 부분은 동일한 도면부호를 사용하고, 제1 실시예와 공통되는 부분은 그 설명을 생략한다.
도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록의 하부면과 하부 블록의 하부면을 개략적을 도시한 분해 사시도이고, 도 15는 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록과 하부 블록의 조립된 상태를 도시한 사시도이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전 용량형 센서(3)의 상부 블록(310)은 상부 플레이트(321)의 하부면에 돌출 형성된 복수의 상부 수직 전극(323a, 323b, 323c)과 복수의 상부 수평 전극(324a, 324b, 324c)을 포함한다.
그리고, 하부 블록(330)은 베이스 플레이트(331)의 상부면에 돌출 형성된 복수의 하부 수직 전극(333a, 333b, 333c)과 복수의 하부 수평 전극(332a, 332b, 332c)을 포함한다.
도 15에 도시된 바와 같이, 복수의 상부 수직 전극(323a, 323b, 323c)과 복수의 하부 수직 전극(333a, 333b, 333c)은 일부가 오버랩되고 상호 간에 접하지 않고 마주하도록 배치된다. 동시에 복수의 상부 수직 전극(323a, 323b, 323c)은 베이스 플레이트(331)와 접하지 않도록 형성되고, 복수의 하부 수직 전극(333a, 333b, 333c)은 상부 플레이트(321)에 접하지 않도록 형성된다.
또한, 복수의 상부 수평 전극(324a, 324b, 324c)은 복수의 하부 수평 전극(332a, 332b, 332c)의 상부에 위치하여 상호 간에 접하지 않고 오버랩되도록 배치된다.
도시되지는 않았지만, 본 실시예에 따른 정전 용량형 센서(3) 역시 전술한 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서(1)와 유사하게 상부 블록(310)은 상부 플레이트(321)의 상부 및 측부를 둘러싸는 하우징(11)을 더 포함하거나, 상부 블록(310)과 하부 블록(330)을 탄성 지지하는 탄성 지지체(41, 42, 43)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 탄성 지지체(41, 42, 43)는 상부 블록(310)과 하부 블록(330)을 각각 탄성 지지하여, 외력(Fx, Fy, Fz, Tx, Ty, Tz)에 의해 상부 블록(310)과 하부 블록(330)이 상대적으로 움직일 수 있도록 구성될 수 있다.
본 실시예에 따른 정전 용량형 센서(3) 역시, 외력에 의해 상부 수직 전극(323a, 323b, 323c)과 하부 수직 전극(333a, 333b, 333c), 상부 수평 전극(324a, 324b, 324c)과 하부 수평 전극(332a, 332b, 332c) 사이의 간격 변화/정전 용량의 변화를 이용해 3축 방향으로 작용하는 힘 성분(Fx, Fy, Fz) 및 토크 성분(Tx, Ty, Tz)을 검출할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제4 실시예에 따른 정전 용량형 센서에 대해 설명한다. 설명의 편의를 위하여 제3 실시예와 유사한 부분은 동일한 도면부호를 사용하고, 제1 실시예와 공통되는 부분은 그 설명을 생략한다.
도 16은 본 발명의 제4 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 상부 블록의 하부면과 하부 블록의 하부면을 개략적을 도시한 분해 사시도이다.
도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 정전 용량형 센서(4)는, 전술한 제3 실시예에 따른 정전 용량형 센서(3)와 비교하여, 상부 블록(410)의 형상이 다소 상이하다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 정전 용량형 센서(4)는 복수의 상부 수직 전극(423a, 423b, 423c)이 상부 플레이트(321)의 하부면으로부터 함몰 형성된다.
따라서, 하부 블록(330)에 형성된 복수의 하부 수직 전극(333a, 333b, 333c)은 일부가 상부 블록(410)의 내측으로 삽입되어 상부 수직 전극(423a, 423b, 423c)과 마주하게 된다.
하부 수직 전극(333a, 333b, 333c)의 일부가 상부 블록(410)의 내측으로 삽입됨에 따라, 상부 블록(410)과 하부 블록(330) 사이의 간격이 좁아지므로 복수의 상부 수평 전극(424a, 424b, 424c)은 제3 실시예에 비해 돌출 길이가 짧아지거나, 상부 플레이트(321)의 하부면과 동일 평면 상에 형성될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄성 지지체에 대해 설명한다.
도 17 내지 도 22는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄성 지지체를 도시한 정면도이다.
도 17에 도시된 탄성 지지체(241)는 전술한 제1 실시예에 따른 정전 용량형 센서(1)의 탄성 지지체(41, 42, 43)와 비교하여 제1 가로 지지 로드(41a)와 제2 가로 지지 로드(41e)가 생략된 것과 유사한 구성을 갖는다.
도 17에 도시된 바와 같이, 탄성 지지체(241)의 탄성 변형부(41c)는 폐루프형상을 갖는다.
보다 구체적으로 탄성 변형부(41c)는 상호 이격된 한 쌍의 가로빔(241a, 241b)과 한 쌍의 가로빔(241a, 241b)을 연결하는 한 쌍의 세로빔(241c, 241d)을 포함한다.
그리고, 외력에 의해 탄성 변형부(41c)가 탄성력을 갖도록 한 쌍의 세로빔(241c, 241d)은 제1 세로 지지 로드(41b) 및 제2 세로 지지 로드(41d)와 서로 다른 축선 상에 위치한다.
이를 위해 도 1과 도 17에 각각 도시된 탄성 지지체(41, 42, 43, 241)는 한 쌍의 세로빔(241c, 241d)이 각각 한 쌍의 가로빔(241a, 241b)의 양측에 형성되고, 제1 세로 지지 로드(41b) 및 제2 세로 지지 로드(41d)는 각각 가로빔(241a, 241b)의 중앙부로부터 상방 또는 하방으로 연장 형성된다.
도 1과 도 17에는 폐루프의 형상을 갖는 탄성 변형부(41c)가 형성된 탄성 지지체(41, 241)를 도시하였지만, 실시예에 따라 한 쌍의 세로빔(241c, 241d) 중 어느 하나가 생략되어 좌측 또는 우측이 개방된 루프 형상을 갖는 탄성 변형부가 사용될 수도 있다.
도 18에 도시된 탄성 지지체(341)의 탄성 변형부(341f)는, 상호 이격된 한 쌍의 가로빔(341c, 341e)과 한 쌍의 가로빔(341c, 341e)을 연결하는 세로빔(341d)을 포함한다.
도 17에 도시된 탄성 지지체(241)의 탄성 변형부(41c)는 한 쌍의 세로빔(241c, 241d)이 각각 한 쌍의 가로빔(241a, 241b)의 양측을 연결하도록 형성됨에 반해, 도 18에 도시된 탄성 지지체(341)의 탄성 변형부(341f)는 세로빔(341d)이 한 쌍의 가로빔(341c, 341e)의 중앙부를 연결하도록 형성된다.
그리고, 제1 지지단을 구성하는 한 쌍의 제1 세로 지지 로드(341a, 341b)는 가로빔(241a)의 양단으로부터 상방으로 연장 형성되고, 제2 지지단을 구성하는 한 쌍의 제2 세로 지지 로드(341g, 341h)는 가로빔(341e)의 양단으로부터 하방으로 연장 형성된다.
도 18에 도시된 탄성 지지체(341) 역시 제1 세로 지지 로드(341a, 341b)와 제2 세로 지지 로드(341g, 341h)가 세로빔(341d)과 다른 축선 상에 위치하게 된다.
도 19에 도시된 탄성 지지체(441)는 대략 Y 형상의 탄성 변형부(441f)를 포함한다.
보다 구체적으로 탄성 변형부(441f)는 상호 이격된 한 쌍의 세로빔(441c, 441d)과 한 쌍의 세로빔(441c, 441d)을 연결하는 가로빔(441e)을 포함한다.
제1 지지단을 구성하는 제1 세로 지지 로드(441a, 441b)는 한 쌍의 세로빔(441c, 441d)으로부터 각각 상방으로 연장 형성되고, 제2 지지단을 구성하는 제2 세로 지지 로드(441g)는 가로빔(441e)으로부터 하방으로 연장 형성된다.
제2 세로 지지 로드(441g)는 한 쌍의 세로빔(441c, 441d)과 다른 축선 상에 위치하게 된다.
도 20에 도시된 탄성 지지체(541)는 지그재그의 형상을 갖도록 형성된 탄성 변형부(541f)를 포함한다.
보다 구체적으로 탄성 변형부(541f)는 상호 이격된 복수의 가로빔(541b, 541d, 541f)과 복수의 가로빔(541b, 541d, 541f)을 서로 연결하는 복수의 세로빔(541c, 541e)을 포함한다.
복수의 세로빔(541c, 541e)은 제1 가로빔(541b)과 제2 가로빔(541d)의 일측을 연결하는 제1 세로빔(541c)과, 제2 가로빔(541d)과 제3 가로빔(541f)의 타측을 연결하는 제2 세로빔(541e)을 포함한다.
제1 세로빔(541c)과 제2 세로빔(541e)은 서로 다른 축선 상에 위치하여 외력에 의한 탄성 변형부(541f)의 탄성 변형을 유도한다.
제1 지지단을 형성하는 제1 세로 지지 로드(541a)는 제1 가로빔(541b)으로부터 상방으로 연장 형성되고, 제2 지지단을 형성하는 제2 세로 지지 로드(541h)는 제3 가로빔(541f)으로부터 하방으로 연장 형성된다.
도 20에 도시된 바와 같이, 제1 세로 지지 로드(541a)와 제2 세로 지지 로드(541h)는 복수의 세로빔(541c, 541e)과 다른 축선 상에 형성되는 것이 바람직하다.
도 21에 도시된 탄성 지지체(641)의 탄성 변형부(641e)는 상호 이격된 한 쌍의 세로빔(641b, 641d)과 한 쌍의 세로빔(641b, 641d)을 연결하는 가로빔(641c)을 포함한다.
가로빔(641c)의 일측은 제1 세로빔(641b)의 하단측으로부터 연장되고, 가로빔(641c)의 타측은 제2 세로빔(641d)의 상단측으로부터 연장된다.
그리고, 제1 지지단을 형성하는 제1 세로 지지 로드(641a)는 제1 세로빔(641b)으로부터 상방을 향해 연장 형성되고, 제2 지지단을 형성하는 제2 세로 지지 로드(641f)는 제2 세로빔(641d)으로부터 하방을 향해 연장 형성된다.
도 22에 도시된 탄성 지지체(741)는 지그재그의 형상을 갖도록 형성된 탄성 변형부(741f)를 포함한다.
보다 구체적으로 탄성 변형부(741f)는 상호 이격된 복수의 세로빔(741b, 741d, 741f)과, 복수의 세로빔(741b, 741d, 741f)을 서로 연결하는 복수의 가로빔(741c, 741e)를 포함한다.
복수의 가로빔(741c, 741e)은 제1 세로빔(741b)과 제2 세로빔(741d)의 일측을 연결하는 제1 가로빔(741c)과, 제2 세로빔(741d)과 제3 세로빔(741f)의 타측을 연결하는 제2 가로빔(741e)을 포함한다.
제1 가로빔(741c)과 제2 가로빔(741e)은 서로 다른 축선 상에 위치하여 외력에 의한 탄성 변형부(741f)의 탄성 변형을 유도한다.
제1 지지단을 형성하는 제1 세로 지지 로드(741a)는 제1 세로빔(741b)으로부터 상방으로 연장 형성되고, 제2 지지단을 형성하는 제2 세로 지지 로드(741h)는 제3 세로빔(741f)으로부터 하방으로 연장 형성된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 정전 용량형 센서는 외력에 의해 발생하는 상부 블록과 상부 블록의 상대적인 이동을 이용해 상부 수직 전극과 하부 수직 전극, 상부 수평 전극과 하부 수평 전극에서의 정전 용량의 변화를 기초로 3축 방향으로 작용하는 힘 성분(Fx, Fy, Fz) 및 토크 성분(Tx, Ty, Tz)을 검출한다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 정전 용량형 센서는 탄성 지지체가 상부 블록과 하부 블록을 각각 지지하도록 구성되어 외력(특히 Z방향으로 작용하는 힘)에 대한 내구성이 향상된다.
또한, 탄성 지지체의 구조가 단순하면서도 외력에 의한 탄성 변형이 용이한 구조를 가지므로 정전 용량형 센서의 단가 및 생산 난이도를 낮출 수 있다.
또한, 탄성 지지체가 상부 블록 및 하부 블록에 조립되는 별도의 구성으로 존재하므로, 탄성 지지체의 교체가 용이하여 메인터넌스에 유리하다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 실시예에 따른 정전 용량형 센서는, 상부 블록, 상기 상부 블록에 고정되는 적어도 하나의 제1 전극, 상기 상부 블록의 하부에 위치하는 하부 블록, 상기 제1 전극과 적어도 일부가 오버랩되도록 상기 하부 블록에 고정되는 적어도 하나의 제2 전극 및 상기 상부 블록을 지지하는 제1 지지단, 상기 하부 블록을 지지하는 제2 지지단, 상기 제1 지지단 및 상기 제2 지지단과 연결되어 상기 상부 블록 및 상기 하부 블록 중 적어도 하나에 작용하는 외력에 의해 탄성 변형되는 탄성 변형부를 포함하는 복수의 탄성 지지체를 포함한다.

Claims (11)

  1. 상부 블록;
    상기 상부 블록에 고정되는 적어도 하나의 제1 전극;
    상기 상부 블록의 하부에 위치하는 하부 블록;
    상기 제1 전극과 적어도 일부가 오버랩되도록 상기 하부 블록에 고정되는 적어도 하나의 제2 전극; 및
    상기 상부 블록을 지지하는 제1 지지단, 상기 하부 블록을 지지하는 제2 지지단, 상기 제1 지지단 및 상기 제2 지지단과 연결되어 상기 상부 블록 및 상기 하부 블록 중 적어도 하나에 작용하는 외력에 의해 탄성 변형되는 탄성 변형부를 포함하는 복수의 탄성 지지체를 포함하는, 정전 용량형 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄성 변형부 중 적어도 일부는 폐루프의 형상을 갖도록 형성되는, 정전 용량형 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄성 변형부 중 적어도 일부는 지그재그의 형상을 갖도록 형성되는, 정전 용량형 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄성 변형부 중 적어도 일부는 Y 형상을 갖도록 형성되는, 정전 용량형 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄성 변형부는,
    상호 이격된 한 쌍의 가로빔과 상기 한 쌍의 가로빔을 연결하는 세로빔을 포함하는 정전 용량형 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 지지단은 상기 탄성 변형부로부터 상방으로 연장되는 제1 세로 지지 로드를 포함하고, 상기 제2 지지단은 상기 탄성 변형부로부터 하방으로 연장되는 제2 세로 지지 로드를 포함하며,
    상기 제1 세로 지지 로드 및 상기 제2 세로 지지 로드는 상기 세로빔과 서로 다른 축선 상에 위치하는, 정전 용량형 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탄성 변형부는,
    상호 이격된 한 쌍의 세로빔과 상기 한 쌍의 세로빔을 연결하는 가로빔을 포함하는, 정전 용량형 센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 지지단은 상기 한 쌍의 세로빔 중 어느 하나로부터 연장 형성되고, 상기 제2 지지단은 상기 한 쌍의 세로빔 중 다른 하나로부터 연장 형성되는, 정전 용량형 센서.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 지지단 및 상기 제2 지지단 중 어느 하나는 상기 한 쌍의 세로빔 중 적어도 하나로부터 연장 형성되고,
    상기 제1 지지단 및 상기 제2 지지단 중 다른 하나는 상기 한 쌍의 가로빔으로부터 연장 형성되는, 정전 용량형 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 탄성 변형부는,
    상호 이격된 복수의 가로빔과 상기 복수의 가로빔을 연결하는 복수의 세로빔을 포함하며,
    상기 복수의 세로빔은 서로 다른 축선 상에 위치하는, 정전 용량형 센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 탄성 변형부는,
    상호 이격된 복수의 세로빔과 상기 복수의 세로빔을 연결하는 복수의 가로빔을 포함하며,
    상기 복수의 가로빔은 서로 다른 축선 상에 위치하는, 정전 용량형 센서.
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