KR101004941B1 - 촉각 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 기판과, 상기 기판상에 배열되는 복수개의 전극과, 상기 기판의 상부에 상기 복수개의 전극과 소정 간격 이격되어 배치되는 도전성 저항체 막, 및 상기 저항체 막의 상부에 상기 저항체막과 소정 간격 이격되어 배치되는 탄성체를 포함하는 촉각센서를 제공할 수 있다.
압력(pressure), 센서(sensor)

Description

촉각 센서{TACTILE SENSOR}
본 발명은 촉각센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 간단한 구조를 가지면서 용도에 따라 감도를 변경하여 설계하는 것이 가능한 압력식 촉각센서에 관한 것이다.
인간의 손은 여러 감각 중에 촉각을 느끼는 중요한 부분이다. 인간이 느끼는 촉각이라 함은 접촉하는 힘, 표면의 거칠기, 표면의 온도 등의 정보를 의미할 수 있다. 인간의 손과 같이 촉각을 느낄 수 있는 소자가 있다면, 이 소자의 활용분야는 매우 다양할 수 있다. 촉각 기술은 일반 로봇 및 의료기기 뿐만 아니라 디스플레이 입력 디바이스도 활용 가능한 기술로서 매우 다양한 분야에서 활용 가능한 장래성이 유망한 기술일 수 있다.
이러한 촉각 감지 기술은 인간이 느끼는 것과 유사한 촉각을 느끼기 위해서 물체와 접촉하는 힘을 감지하게 된다. 이와 같이 인간의 피부에 분포하는 압점과 같은 역할을 하는 센서를 구현하면 다양한 분야에서 활용이 가능할 수 있다.
종래에 사용되던 접촉식 정전용량 방식은 전극 위에 형성된 절연층에 펜 또 는 손가락이 접촉되면 변화되는 정전용량의 크기를 계산하여 위치를 검출하는 방식이다.
촉각센서의 응용 분야가 다양해짐에 따라 상기 촉각 센서를 간단한 구조로 형성하면서 소형의 고성능 촉각센서를 제작하고자 하는 노력이 계속되고 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 소형화가 가능하고 촉각의 감도가 뛰어나며 용도에 따라 감도를 조절하여 설계할 수 있는 촉각 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 기판과, 상기 기판상에 배열되는 복수개의 전극과, 상기 기판의 상부에 상기 복수개의 전극과 소정 간격 이격되어 배치되는 도전성 저항체 막, 및 상기 저항체 막의 상부에 상기 저항체막과 소정 간격 이격되어 배치되는 탄성체를 포함하는 촉각센서를 제공할 수 있다.
상기 촉각센서는, 상기 전극과 저항체 막 사이에 형성되어 상기 전극과 상기 저항체 막을 소정 간격 이격시키는 제1 스페이서, 및 상기 저항체 막과 탄성체 사이에 형성되어 상기 저항체막과 탄성체를 소정간격 이격시키는 제2 스페이서를 더 포함할 수 있다.
상기 저항체 막은, 압력에 의해 상기 전극 방향으로 탄성 변형될 수 있다.
상기 탄성체는, 일면에 가해지는 압력의 크기에 따라 상기 저항체 막과의 접 촉 면적이 달라질 수 있다.
상기 탄성체는, 상기 저항체 막에 대향하는 볼록부를 가질 수 있다.
상기 볼록부는, 상기 탄성체에 가해지는 압력의 크기에 비례하여 상기 탄성체가 상기 저항체 막에 접촉되는 면적이 증가되도록 경사를 가질 수 있다.
상기 복수개의 전극중 일부는 전원단에 연결되고, 나머지 일부는 그라운드에 연결될 수 있다.
상기 복수개의 전극은, 인접하는 전극끼리 서로 다른 극성을 갖도록 배열될수 있다.
상기 복수개의 전극은, n×n 의 형태로 배열될 수 있다.
상기 복수개의 전극은, 중심에 형성된 중심전극을 기준으로 바깥쪽으로 갈수록 전극 사이의 간격이 넓어지도록 배열될 수 있다.
상기 촉각 센서는, 상기 저항체 막과 복수 개의 전극의 접촉에 의해 형성되는 저항에 의해 상기 탄성체에 가해지는 압력을 측정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 소형화가 가능하고 촉각의 감도가 뛰어나며 용도에 따라 감도를 조절하여 설계할 수 있는 촉각 센서를 얻을 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하겠다.
도 1은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 촉각센서의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시형태에 따른 촉각센서(100)는, 기판(110), 전극(120), 저항체 막(130), 및 탄성체(140)를 포함할 수 있다.
상기 기판(110)은, 인쇄회로 기판(PCB : printed circuit board) 또는 가요성 인쇄회로 기판(FPCB : flexible printed circuit board)일 수 있다. 상기 기판(110)에는 전극 및 상기 전극을 연결하기 위한 회로 배선이 형성될 수 있다.
상기 기판(110)에는 복수개의 전극(120)이 형성될 수 있다.
본 실시형태에서는, 상기 복수개의 전극(120) 중 일부는 전원단에 연결되고, 나머지 일부는 그라운드단에 연결될 수 있다. 상기 복수개의 전극(120)에서 서로 다른 극성을 갖는 전극들이 상기 저항체 막(130)에 의해 통전됨으로서 상기 전원단과 그라운드단 사이에 병렬 저항을 형성할 수 있다. 본 실시형태의 촉각센서는 상기 병렬 저항의 크기에 따라 상기 탄성체에 가해지는 압력을 감지할 수 있다.
상기 기판(110) 상에 형성되는 복수개의 전극(120)은 소정의 형태로 배열될 수 있다. 본 실시형태에서는 n×n의 배열을 갖도록 상기 전극을 배열하고, 상기 배열된 전극 중에서 서로 인접한 전극은 서로 다른 극성을 갖도록 배선을 형성할 수 있다. 상기 기판(110)의 상면에 노출되도록 형성되는 전극을 각각 전원단 또는 그라운드단에 연결하기 위한 배선은 상기 기판(110)의 내부에 형성될 수 있다.
상기 기판(110)의 상면에는, 상기 복수개의 전극(120)이 노출된 영역을 제외하고 절연층(160)을 형성할 수 있다. 상기 절연층(160)은 상기 전극(120)의 두께와 동일한 두께를 갖도록 형성할 수 있다. 상기 기판의 상면에 절연층(160)을 형성함으로써 상기 기판의 상면에 노출된 전극(120)이 상기 기판에 견고히 고정될 수 있다.
상기 전극(120)과 소정간격 이격되도록 저항체 막(130)이 배치될 수 있다.
상기 저항체 막(130)은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 상기 저항체 막(130)은 압력이 가해지면 상기 전극(120) 방향으로 탄성 변형을 일으킬 수 있다. 상기 저항체 막(130)에 압력이 가해져서 상기 저항체 막(130)이 상기 전극(120)의 일부와 접촉하게 되면 상기 저항체 막(130)에 접촉된 전극은 서로 통전될 수 있다. 본 실시형태에서는 인접하는 전극은 각각 서로 다른 극성을 갖도록 배선이 형성되어 있으므로, 상기 저항체 막(130)에 접촉되는 전극 중 인접한 전극끼리는 서로 다른 극성을 가질 수 있다. 상기 저항체 막(130)의 접촉에 의해 서로 다른 극성을 갖는 전극이 전기적으로 연결되고, 상기 전기적으로 연결되는 전극 사이에는 상기 저항 체 막(130)에 의한 저항이 발생될 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 저항체 막(130)에 의한 저항은 전원단과 그라운드 단 사이에 형성되는 저항이 될 수 있다. 또한, 상기 저항체 막(130)에 접촉되는 전극이 다수인 경우에는 전원단과 그라운드 단 사이에 복수개의 저항이 병렬 연결된 형태로 될 수 있다. 상기 병렬 연결된 저항의 저항값은 병렬 연결된 저항의 개수가 많을수록 작아지므로, 상기 저항체 막(130)에 접촉되는 전극의 개수가 많을수록 상기 병렬 저항에 걸리는 전압은 작아질 수 있다.
상기 전극(120)과 저항체 막(130)을 소정 간격 이격시키도록 상기 기판(110)과 저항체 막(130) 사이에 제1 스페이서(151)가 형성될 수 있다. 상기 제1 스페이서(151)의 높이는 상기 기판 상에 형성된 전극(120)의 높이보다는 높게 형성될 수 있다. 상기 제1 스페이서(151)의 높이는 상기 저항체 막(130)의 탄성률 등을 고려하여 적절히 형성할 수 있다.
상기 저항체 막(130)과 소정간격 이격되도록 탄성체(140)가 배치될 수 있다. 상기 탄성체(140)는 일면이 상기 저항체 막(130)을 향하고 타면은 외부에 노출될 수 있다. 상기 외부에 노출된 면에 압력이 가해지면 상기 탄성체(140)는 상기 저항체 막(130)과 접촉될 수 있다.
본 실시형태에서는, 상기 탄성체(140)는 상기 저항체 막(130)에 대향하는 일면이 볼록부를 갖도록 형성될 수 있다. 이처럼 일면이 볼록부를 갖도록 형성됨으로써 상기 탄성체(140)에 가해지는 압력의 크기에 비례하여 상기 탄성체(140)와 저항 체 막(130)의 접촉 면적이 늘어날 수 있다. 상기 볼록부의 경사도에 따라 압력에 따른 상기 탄성체(140)와 저항체 막(130)의 접촉 면적이 달라질 수 있다.
상기 탄성체(140)는 실리콘 성분을 포함할 수 있다. 상기 탄성체가 갖는 탄성률에 따라 상기 촉각 센서의 감도가 달라질 수 있다. 상기 탄성체의 탄성률은 상기 탄성체에 포함되는 물질의 성분을 조절하여 적절히 조절할 수 있다.
상기 저항체 막(130)과 탄성체(140)를 소정 간격 이격시키도록 상기 저항체 막(130)과 탄성체(140) 사이에 제2 스페이서(152)가 형성될 수 있다. 상기 제2 스페이서(152)의 높이는 상기 탄성체(140)에 형성된 볼록부의 높이보다 높게 형성될 수 있다. 상기 제2 스페이서(152)의 높이는 상기 탄성체(140)의 탄성률 등을 고려하여 적절히 형성할 수 있다.
도 2의 (a) 및 (b)는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 촉각센서에 사용되는 기판에 형성되는 전극의 형태를 나타내는 도면이다.
도 2의 (a)를 참조하면, 본 실시형태에 따른 촉각센서에서 기판(210)상에 복수개의 전극(220)이 배열될 수 있다. 상기 복수개의 전극은 n×n형태로 배열될 수 있다. 상기 배열된 전극 사이의 간격이 동일하게 형성될 수 있다. 본 실시형태에서는 11×11의 개수의 전극이 배열될 수 있다. 상기 복수개의 배열된 전극(220) 중에서 서로 인접한 전극들은 서로 다른 극성을 갖도록 연결될 수 있다. 상기 복수개의 전극(220)은 상기 기판(210)의 표면에 노출되며, 상기 전극을 연결하는 배선은 기판의 내부에 형성될 수 있다.
동일한 면적의 기판에 형성되는 전극의 개수에 따라 촉각 센서의 감도가 달라질 수 있다. 즉, 상기 전극의 배열 간격이 좁을수록 적은 압력에 대해서 도통되는 전극의 수가 많아지므로 민감한 감도를 갖는 촉각센서를 얻을 수 있다. 이와 반대로, 상기 전극의 배열 간격을 넓게 한다면 입력되는 압력의 차이가 소정강도 이상이 되어야만 압력의 차이를 감지할 수 있다.
상기 기판(210)의 상면에는, 상기 복수개의 전극(220)이 노출된 영역을 제외하고 절연층(260)이 형성될 수 있다. 상기 절연층(260)은 상기 전극(220)의 두께와 동일한 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 상기 기판(210)상에 형성된 복수개의 전극(220)들 사이에 절연층(260)을 형성함으로써 상기 전극들이 상기 기판에 안정적으로 고정될 수 있다.
상기 전극의 배열 형태는 다양하게 구현될 수 있다. 도통되는 전극에 의해 형성되는 병렬저항의 저항값이 입력되는 압력의 세기에 따라 선형적으로 변하게 하기 위해서 상기 전극의 배열을 다르게 형성할 수 있다. 도 2의 (b)에서는 중심에 형성된 중심 전극(C)을 기준으로 바깥쪽으로 갈수록 전극 사이의 간격이 점점 넓어지는 형태로 전극을 형성할 수 있다. 본 실시형태의 경우에는 상기 중심 전극(C)이 형성된 위치에 대응하는 영역에 압력이 가해지는 것을 전제로, 상기 영역에 대한 압력이 증가할수록 도통되는 전극에 의해 형성되는 저항값이 선형적으로 변할 수 있다.
이처럼, 상기 기판 상에 형성되는 전극의 배열 간격과, 상기 전극에 저항체 막이 접촉되는 면적을 좌우할 수 있는 탄성체의 탄성도 및 형태 등에 따라 상기 촉각 센서의 감도는 달라질 수 있다.
도 3의 (a)는 본 발명의 일실시 형태에 따른 촉각 센서의 동작을 설명하기 위한 단면도이고, 도 3의 (b)는 상기 촉각 센서의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 본 실시형태에 따른 촉각 센서(300)는 기판(310), 상기 기판 상에 형성되는 복수개의 전극(320), 상기 전극과 소정 간격 이격되도록 배치된 저항체 막(330), 상기 저항체 막과 소정간격 이격되도록 배치된 탄성체(340)를 포함할 수 있다.
먼저 상기 탄성체(340)의 노출면을 손가락에 의해 가압할 수 있다. 상기 탄성체의 노출면을 가압하는 것은 손가락 이외에 뾰족하고 단단한 물체가 사용될 수 있다. 본 실시형태에서는 상기 탄성체(340)를 사용함으로써 가압 수단의 형태가 달라지더라도 압력의 크기가 동일하다면 상기 저항체 막(330)과 동일한 접촉면적을 유지할 수 있다.
상기 가압된 탄성체(340)의 일면은 저항체 막(330)과 접촉되면서 상기 저항체 막(330)에 압력을 가할 수 있다. 본 실시형태에서 상기 탄성체는 상기 저항체 막(330)에 접촉되는 일면이 볼록부를 갖도록 형성될 수 있다. 상기 볼록부는 상기 탄성체(340)와 상기 저항체 막(330)이 접촉되는 면적이 상기 탄성체에 가해지는 압력의 세기에 비례하도록 할 수 있다.
상기 탄성체(340)에 의해 압력이 가해진 저항체 막(330)은 전극(320) 방향으로 변형되어 상기 전극(320) 중 일부와 접촉될 수 있다. 상기 저항체 막(330)은 도전성 물질을 포함할 수 있어서, 상기 저항체 막(330)에 접촉되는 전극들 사이를 통전시킬 수 있다. 본 실시형태에서는, 상기 복수개의 전극(320) 중 서로 인접하는 전극은 서로 다른 극성을 갖도록 배열될 수 있어서, 상기 저항체 막(330)에 접촉하는 인접한 전극들 사이에서 상기 저항체 막(330)은 저항 역할을 할 수 있다.
상기 탄성체(340)에 가해지는 압력이 커지면 상기 탄성체(340)와 저항체 막(330)의 접촉 면적이 넓어지고, 결과적으로 상기 저항체 막(330)과 접촉되는 전극(320)의 개수가 많아질 수 있다. 상기 저항체 막(330)과 접촉되는 전극(320)의 개수가 많아지면 통전되는 전극들 사이에서 상기 저항체 막(330)은 병렬 연결된 저항 역할을 할 수 있다. 본 실시형태에 따른 촉각 센서는 상기 병렬 연결된 저항에 걸리는 전압을 검출하여 상기 탄성체에 가해지는 압력의 세기를 감지할 수 있다.
도 3의 (b)를 참조하면, 본 실시형태에 따른 촉각 센서는 기판 상에 형성된 복수개의 전극 중 일부는 전원단(Vcc)에 연결되고, 나머지 일부는 그라운드(GND) 단에 연결될 수 있다.
상기 도 3의 (a)에 도시된 촉각 센서에서 접촉되는 전극(320) 및 저항체 막(330)에 의해 형성된 저항은 상기 전원단(Vcc)과 그라운드(GND) 사이에 복수개의 저항이 병렬 연결된 병렬 저항(Rc)으로 도시될 수 있다. 본 실시형태에 따른 촉각 센서에서는, 상기 전원단(Vcc)과 병렬 저항(Rc) 사이에 기준 저항(Rf)이 직렬로 연 결되며, 상기 기준 저항(Rf)과 병렬 저항(Rc) 사이에 아날로그 디지털 컨버터(ADC)가 형성될 수 있다.
상기 아날로그 디지털 컨버터(ADC)는 상기 전원단(Vcc)에서 인가되는 전압을 상기 기준 저항(Rf)과 병렬 저항(Rc)의 비로 분압하여 상기 병렬저항(Rc)에 걸리는 전압을 측정함으로써 상기 촉각 센서에 가해지는 압력의 세기를 감지할 수 있다.
도 3의 (b)에서는 복수개의 저항(Rc1, Rc2,...Rcn)이 전원단(Vcc)과 그라운드(GND) 사이에 병렬 연결된 형태가 도시되어 있다. 상기 도 3의 (a)에서 상기 저항체 막(330)이 변형되어 기판(310)상의 전극(320) 중 일부에 접촉하게 되면 상기 저항체 막에 접촉된 전극 중 인접한 전극은 통전되게 된다. 이에 따라 상기 전원단(Vcc)과 그라운드(GND) 사이에 상기 저항체 막에 의한 저항이 발생되게 된다. 상기 저항체 막(330)과 접촉되는 전극(320)의 개수가 증가하면 전원단(Vcc)과 그라운드(GND) 사이에 병렬연결된 저항의 개수가 증가될 수 있다. 병렬 연결되는 저항의 개수가 늘어날수록 병렬저항(Rc)의 저항값은 줄어들게 된다. 따라서, 상기 촉각 센서에 인가된 전압은 기준 저항(Rf)과 병렬저항(Rc)의 비로 분압되게 되는데 병렬저항(Rc)의 저항값이 감소하면 상기 ADC에 의해 측정되는 전압도 낮아지게 된다. 상기 ADC에서 측정되는 전압의 변화에 의해 상기 촉각 센서에 입력되는 압력의 세기를 감지할 수 있다.
본 실시형태에서는 저항체 막과 전극의 접촉에 의해 형성되는 병렬 저항(Rc)에 걸리는 전압을 측정하였으나, 상기 기준 저항(Rf)을 그라운드(GND) 측에 위치시 키고 상기 기준 저항(Rf)에 인가되는 전압을 측정하는 형태로도 구현될 수 있다
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
도 1은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 촉각센서의 단면도이다.
도 2의 (a) 및 (b)는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 촉각센서에 사용되는 기판에 형성되는 전극의 형태를 나타낸다.
도 3의 (a)는 본 발명의 일실시 형태에 따른 촉각 센서의 동작을 설명하기 위한 단면도이고, 도 3의 (b)는 상기 촉각 센서의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
110 : 기판 120 : 전극
130 : 저항체 막 140 : 탄성체
151, 152 : 스페이서 160 : 절연체

Claims (11)

  1. 기판;
    상기 기판상에 배열되는 복수개의 전극;
    상기 기판의 상부에 상기 복수개의 전극과 소정 간격 이격되어 배치되는 도전성 저항체 막; 및
    상기 저항체 막의 상부에 상기 저항체막과 소정 간격 이격되어 배치되는 탄성체
    를 포함하는 촉각센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극과 저항체 막 사이에 형성되어 상기 전극과 상기 저항체 막을 소정 간격 이격시키는 제1 스페이서; 및
    상기 저항체 막과 탄성체 사이에 형성되어 상기 저항체막과 탄성체를 소정간격 이격시키는 제2 스페이서
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저항체 막은,
    압력에 의해 상기 전극 방향으로 탄성 변형되는 것을 특징으로 하는 촉각센 서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄성체는,
    일면에 가해지는 압력의 크기에 따라 상기 저항체 막과의 접촉 면적이 달라지는 것을 특징으로 하는 촉각센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 탄성체는,
    상기 저항체 막에 대향하는 볼록부를 갖는 것을 특징으로 하는 촉각센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 볼록부는,
    상기 탄성체에 가해지는 압력의 크기에 비례하여 상기 탄성체가 상기 저항체 막에 접촉되는 면적이 증가되도록 경사를 갖는 것을 특징으로 하는 촉각센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 전극중 일부는 전원단에 연결되고,
    나머지 일부는 그라운드에 연결되는 것을 특징으로 하는 촉각센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수개의 전극은,
    인접하는 전극끼리 서로 다른 극성을 갖도록 배열된 것을 특징으로 하는 촉각센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 전극은,
    n×n 의 형태로 배열된 것을 특징으로 하는 촉각센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 전극은,
    중심에 형성된 중심전극을 기준으로 바깥쪽으로 갈수록 전극 사이의 간격이 넓어지도록 배열되는 것을 특징으로 하는 촉각센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 촉각 센서는,
    상기 저항체 막과 복수 개의 전극의 접촉에 의해 형성되는 저항에 의해 상기 탄성체에 가해지는 압력을 측정하는 것을 특징으로 하는 촉각센서.
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