KR101914979B1 - 자기 집속을 이용한 촉각센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자기 집속을 이용한 촉각센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 피부를 통해 인가되는 다양한 촉각 정보와 동일한 정보를 자기 집속을 이용하여 감지하는 촉각센서에 관한 것이다.

Description

자기 집속을 이용한 촉각센서{Tactile Sensor using Magnetic field focusing}
본 발명은 자기 집속을 이용한 촉각센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 피부를 통해 인가되는 다양한 촉각 정보와 동일한 정보를 자기 집속을 이용하여 감지하는 촉각센서에 관한 것이다.
접촉을 통한 주변 환경의 정보, 즉 접촉력, 진동, 표면의 거칠기, 열전도도에 대한 온도변화 등을 획득하는 촉각 기능은 차세대 정보수집 매체로 인식되고 있다. 촉각 감각을 대체할 수 있는 생체 모방형 촉각센서는 혈관 내의 미세수술, 암진단 등의 각종 의료진단 및 시술에 사용될 뿐만 아니라 향후 가상환경 구현기술에서 중요한 촉각 제시 기술에 적용될 수 있기 때문에 그 중요성이 더해지고 있다.
생체모방 형 촉각센서는 이미 산업용 로봇의 손목에 사용되고 있는 6-way 자유도의 힘/토크 센서와 로봇의 그립퍼(gripper)용으로 접촉 압력 및 순간적인 미끄러짐을 감지할 수 있으나, 이는 감지부의 크기가 비교적 큰 관계로 민감도가 낮은 문제점이 있었다.
최근에는, 한국공개특허공보 제10-2016-0080363호(2016.07.08. 공개)에 기재된 바와 같이 피부 내 감각 수용체들의 기능 및 3차원적인 분포를 모사하여 센서에 가해지는 다양한 촉각 정보를 감지 및 처리할 수 있는 3차원 구조를 갖는 촉각센서가 공지된 바 있다. 보다 상세하게는, 피부의 표피, 진피 및 피하지방에 해당하는 복수의 기판을 적층 형성하여 각각의 기판에 피부의 감각 수용체에 해당하는 감지 센서를 3차원 적으로 배치하게 되는 3차원 구조를 갖는 촉각센서가 공지된 바 있다.
저항의 변화, 정전용량 변화, 전압의 변화 등의 물리량으로 압력 감지, 진동 감지, 전단력 감지, 미끄럼 감지, 온도 감지 등 다양한 감지능력을 가지는 촉각센서 중 자기 집속을 이용하는 촉각센서는 기판에 가해지는 진동이나 압력변화를 감지면에 구비된 자석의 위치에 따른 자속의 변화로서 감지하는 센서로 감지면의 미세한 떨림이나 하중도 정밀하게 감지가 가능하기 때문에 촉각센서 분야에 다양하게 적용되고 있다.
도 1에는 자기 집속 센서모듈(11)을 3차원 다층 구조를 갖는 촉각센서(10)에 적용한 예를 나타낸 개략도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 적층형 촉각센서(10)는 기판(15) 상에 배치되는 자기 집속 센서모듈(11) 및 기판 상에 다단으로 적층 배치되는 제1 내지 제3 센서(12, 13, 14)를 포함하여 구성된다. 또한 자기 집속 센서모듈(11)은 영구자석(11a)과, 영구자석(11a)이 하중에 의해 이동할 때 영구자석(11a)에서 발생되는 자기장 세기(M)에 의한 자속밀도 변화를 감지하는 자기 센서소자(11b)를 포함한다.
위와 같은 자기 집속 센서모듈(11)을 적용한 촉각센서(10)는 다음과 같은 문제가 발생한다.
첫째, 촉각센서의 표면에 배치되는 영구자석(11a)의 크기만큼 촉각센서(10)의 크기가 커지게 되고, 영구자석(11a)은 단단한 재질로 이루어지기 때문에 유연한 촉각센서(10)에는 적용이 불가하다.
둘째, 제1 내지 제3 센서(12, 13, 14) 중 자속에 민감한 센서의 경우 영구자석(11a)과 자기 집속 센서모듈(11) 사이에 배치가 불가하기 때문에 도시된 바와 같이 별도로 배치가 요구되며, 이에 따른 촉각센서(10)의 크기(S1)가 커지게 된다.
셋째, 영구자석(11a)의 크기를 줄일 경우 자기장 세기(M)가 줄어들게 되어 영구자석(11a)과 자기 센서소자(11b)가 근접 배치됨에 따라 다른 센서들의 배치에 제약이 생기고 자기 집속 센서모듈(11)을 다른 센서들과 너무 가까이 배치하면 신호에 간섭을 일으킬 수 있으므로 공간 활용이 효율적이지 못하다.
따라서 위와 같은 문제를 해결하기 위한 자기 집속을 이용한 촉각센서의 개발이 요구된다.
한국공개특허공보 제10-2016-0080363호(2016.07.08. 공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 촉각센서의 자속 발생부를 마이크로 또는 나노 사이즈의 자성 입자로 구성하여 유연한 기판에도 적용이 가능한 자기 집속을 이용한 촉각센서를 제공함에 있다.
또한 자성 입자의 자속을 자기 집속체를 통해 자기 센서소자로 전달하게 함으로써 기판 내 공간 확보를 통해 다른 센서들과의 배치가 용이한 자기 집속을 이용한 촉각센서를 제공함에 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 집속을 이용한 촉각센서는, 기판의 일면에 형성된 자성 입자; 상기 기판 내에 구비되되, 일면이 상기 자성 입자의 자기장 감지가 가능하도록 배치되며, 하중 또는 진동에 의해 이동하는 상기 자성 입자의 자속을 집속하여 길이 방향 양측 중 어느 한 측에 전달하는, 자기 집속체; 및 상기 기판 내에 구비되되, 상기 자기 집속체의 어느 한 측에 인접 배치되어 집속된 자속을 감지하는 자기 센서소자를 포함한다.
또한, 상기 자기 집속체는, 자성 재료이며, 단일 또는 다층 구조로 이루어진다.
또한, 상기 자성 입자는, 마이크로 또는 나노 단위의 직경을 갖되, 복수 개가 상기 기판의 일면 상에 이격 배치된다.
또한, 상기 자기 집속체는, 각각의 자성 입자들의 자기장을 감지한 만큼의 면적을 갖되, 길이 방향 양측 중 상기 자기 센서소자에 인접한 측은, 상기 자기 센서소자의 폭 또는 두께에 대응되는 크기를 갖는다.
아울러, 상기 자기 집속체는, 유연한 기판에 적용 가능하도록 단일 또는 다층 형태의 필름 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 집속을 이용한 촉각센서는, 기판의 일면에 형성된 자성 입자; 상기 기판 내에 구비되며, 길이방향 일측이 상기 자성 입자의 자기장 감지가 가능하도록 상기 기판의 일면에 인접 배치되고, 하중 또는 진동에 의해 이동하는 상기 자성 입자의 자속을 집속하여 길이 방향 타측에 전달하되, 길이방향 타측이 상기 기판의 일면에 대향하는 대향면에 인접하도록 기판 상에 굽힘 또는 절곡 배치되는, 자기 집속체; 및 상기 기판 내에 구비되되, 상기 자기 집속체의 타측에 인접 배치되어 집속된 자속을 감지하도록 상기 대향면에 인접 배치되는 자기 센서소자를 포함한다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 자기 집속을 이용한 촉각센서는, 기판의 일면에 형성되고, 상기 기판의 길이 방향을 따라 이격 배치되는 자성 입자; 상기 기판 내에 구비되되, 상기 자성 입자의 자기장 감지가 가능하도록 배치되며, 하중 또는 진동에 의해 이동하는 상기 자성 입자의 자속을 집속하여 길이 방향 양측 중 어느 한 측에 전달하는, 자기 집속체; 상기 기판 내에 구비되되, 상기 자기 집속체의 어느 한 측에 인접 배치되어 집속된 자속을 감지하는 자기 센서소자; 및 상기 자성 입자와 이웃하는 자성 입자 사이에 배치되며, 온도 센서, 전단 하중 센서 또는 진동 센서 중 선택되는 어느 하나 이상의 센서를 포함한다.
또한, 상기 진동 센서는, 상기 온도 센서 또는 하중 센서와 근접 배치되되, 상기 기판의 깊이 방향을 따라 배치된다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 자기 집속을 이용한 촉각센서는 마이크로 또는 나노 단위의 자성 입자를 통해 자속을 발생시키기 때문에 촉각센서의 감지면이 불균일하거나 유연한 재질에도 적용이 가능한 효과가 있다.
또한, 자기 집속체를 이용하여 자성 입자의 자속을 자기 센서소자에 전달하기 때문에 자기 센서소자의 사이즈에 상관없이 대면적에 자성입자를 배치하여 자속을 감지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 자기장의 크기에 상관없이 자기 센서소자의 배치가 가능하기 때문에 촉각센서 기판 상의 최내측에도 배치가 가능하며 이에 따라 외력의 영향을 최소화한 효과가 있다.
또한, 자성입자를 이격 배치하게 되면 입자와 입자 사이에 자기장이 형성되지 않는 영역이 존재하기 때문에 위 영역에 다른 센서들의 배치가 가능하여 촉각센서의 크기를 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 자기 집속을 이용한 3차원 촉각센서 개략도
도 2는 본 발명에 따른 자기 집속을 이용한 촉각 센서의 원리를 나타낸 단면 개념도
도 3은 본 발명에 따른 자기 집속을 이용한 촉각 센서의 원리를 나타낸 평면 개념도
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 집속을 이용한 촉각센서 개략도
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 집속을 이용한 촉각센서 개략도
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 자기 집속을 이용한 촉각센서 개략도
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 집속을 이용한 촉각센서를 설명하기에 앞서 본 발명에 적용된 촉각센서의 자속 측정 원리에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 2에는 본 발명에 적용된 자기 집속을 이용한 촉각 센서의 원리를 나타낸 단면 개념도가 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명에 적용된 자기 집속을 이용한 촉각 센서의 원리를 나타낸 평면 개념도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 촉각센서(100)는 자성 입자(110), 자기 집속체(120) 및 자기 센서소자(130)를 포함한다.
자성 입자(110)는 자기장(M)을 형성하는 자성체로 이루어지며, 마이크로 또는 나노 단위의 크기를 갖는 미소 입자 형태로 이루어진다. 자성 입자(110)는 단수 또는 복수 개가 일정거리 이격 배치되기 때문에 촉각센서의 감지면이 평면으로 이루어지지 않고 불규칙하게 형성되어도 적용이 가능한 효과가 있다.
자성 입자(110)의 자속을 직접 자기 센서소자(130)가 감지하도록 하는 경우 자기 센서소자(130)를 자성 입자(110)에 근접 배치시켜야 하며, 자기 센서소자(130) 보다 넓은 면적에 자성 입자(110)의 배치가 불가능하기 때문에 본실시예에서는 자성 입자(110)의 자속을 자기 센서소자(130)에 전달하기 위한 자기 집속체(120)를 구비한다.
자기 집속체(120)는 단일 또는 복수층 구조의 자성 재료로 이루어진 박막으로 다양한 모양을 가질 수 있다. 자기 집속체(120)는 판 상으로 이루어지며, 일면 또는 타면 상에 자속을 전달받을 수 있도록 자성 입자(110)와 인접 배치되고, 끝단이 자기 센서소자(130)와 근접 배치되어 끝단을 통해 자속을 집속시켜 자기 센서소자(130)에 전달하도록 구성된다.
특히 도 3에 도시된 바와 같이 자성 입자(110)가 분포된 범위를 모두 커버할 수 있는 면적을 갖도록 자기 집속체(120)의 설계가 가능하여 크기가 작은 자기 센서소자(130)에 비해 대면적의 자속을 감지할 수 있는 효과가 있다.
이하, 상기와 같은 원리를 이용한 촉각 센서의 다양한 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
- 실시예 1 (유연 기판 형)
도 4에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 집속을 이용한 촉각센서(1000)의 개략도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 촉각센서(1000)는 기판(510)의 일면에 형성된 다수의 자성 입자(110)와, 자기 집속체(120) 및 자기 센서소자(130)를 포함하여 이루어진다.
자성 입자(110)는 기판(510)의 일면인 감지면(511) 상에 다수 개가 일정 거리 이격되어 분산 배치될 수 있다. 도 4에는 자성 입자(110)가 기판(510)이 일면(511) 상에 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 실시예에 따라서 자성 입자(110)는 기판(510)의 일면(511)의 바로 하부, 즉 기판(510) 내부에 매몰되어 형성될 수 있다.
또한 자기 집속체(120)는 판 상으로 이루어져 기판(500)의 내부에 구비된다. 자기 집속체(120)는 자성 입자(110)의 자기장(M) 감지가 가능하도록 일면이 자성 입자(110)의 자기장(M) 범위 내에 배치될 수 있다. 자기 집속체(120)는 자성 입자(110)의 진동 또는 이동에 따라 발생되는 자속을 집속하여 길이 방향 양측 중 어느 한 측에 전달하도록 구성된다. 따라서 자기 센서소자(130)는 자기 집속체(120)의 길이방향 타측과 인접 구비되어 자기 집속체(120)를 통해 집속된 자속을 감지하여 감지면(511)에 전달되는 하중이나 진동을 측정하게 된다. 이때 자기 집속체(120)는 유연한 재질로 이루어진 기판(510)에 적용이 가능하도록 단일 또는 다층 형태의 필름 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 자기 집속체(120)는 집속된 자속을 효율적으로 자기 센서소자(130)에 전달하도록 타측이 자기 센서소자(130)의 폭 또는 두께에 대응되는 크기를 갖도록 구성될 수 있다. 도면상에는 자기 센서소자(130)가 자기 집속체(120)의 길이방향 타측에 인접 배치된 것으로 도시되어 있으나, 길이방향 일측에 인접 배치될 수도 있다.
위와 같은 구성의 본 발명의 제1 실시 예에 따른 촉각센서(1000)는 다수의 자성 입자(110)가 기판(510)의 감지면(511)에 소정거리 이격되어 분산 배치되며, 자성 입자(110)의 크기가 마이크로 또는 나노 단위로 구성되기 때문에 유연한 기판(510) 상에 적용하여도 감지면(511)의 유연성에 크게 영향을 미치지 않는다. 따라서 굴곡진 면에 부착되어 미세 하중 또는 미세 진동을 측정하기 위한 촉각센서에도 본실시예에 따른 촉각센서(1000)의 적용이 가능한 효과가 있다.
- 실시예 2 (공간 활용 형)
도 5에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 집속을 이용한 촉각센서(2000)의 개략도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 촉각센서(2000)는 다수의 자성 입자(210)와, 자기 집속체(220)와, 자기 센서소자(230) 및 두께가 있는 기판(520)을 포함하여 이루어진다.
다수의 자성 입자(210)는 기판(520)의 감지면(521)에 소정거리 이격되어 분산 배치되며, 자기 센서소자(230)는 감지면(521)에서 최대한 이격되어 기판(520)의 최 내측에 배치될 수 있다. 즉 자기 센서소자(230)는 감지면(521)의 대향면(522)에 인접하여 배치될 수 있다. 또한, 자성 입자(210)의 자속을 기판(520)의 최 내측에 배치된 자기 센서소자(230)에 전달하기 위해 자기 집속체(220)는 일면 일측이 자성 입자(210)에 근접 배치되고, 타측이 자기 센서소자(230)에 근접 배치되도록 기판(520) 내에 절곡되어 구비될 수 있다. 도면상에는 자기 집속체(220)가 절곡 형성된 것으로 도시되어 있으나, 일면 일측이 자성 입자(210)에 근접 배치되고, 타측이 자기 센서소자(230)에 근접 배치될 수 있는 구성이면 어떠한 형태로 기판(520) 내에 배치되어도 무방하다. 일 예로 자기 집속체(220)는 기판(520) 내에 굽힘 형태로 배치될 수 있다.
위와 같은 본 발명의 제2 실시예에 따른 촉각센서(2000)는 자기 센서소자(230)가 기판(520)의 감지면(521)에서 일정 깊이(d)를 갖도록 배치되어 촉각센서(2000) 외부의 환경 일예로 온도나 습도 또는 외부 자기장에 영향을 받지 않기 때문에 정밀한 자속 측정이 가능한 효과가 있다. 또한 기판(520)의 좌측 하단에 형성된 제1 영역(A1)이나 기판(520)의 우측 상단에 형성된 제2 영역(A2) 상에 다양한 촉각 요소의 감지를 위한 센서들의 배치가 가능하여 공간 활용도가 우수한 촉각센서로서 다양한 응용이 가능한 효과가 있다.
- 실시예 3 (크기 축소 형)
도 6에는 본 발명의 제3 실시예에 따른 자기 집속을 이용한 촉각센서(3000)의 개략도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 촉각센서(3000)는 다수의 자성 입자(310)와, 자기 집속체(320)와, 자기 센서소자(330) 및 두께가 있는 기판(530)을 포함하여 이루어진다.
다수의 자성 입자(310)는 기판(520)의 감지면(531)에 소정거리 이격되어 분산 배치되며, 자기 집속체(320)는 일면을 통해 자성 입자(310)의 자속을 전달받아 타측에 집속하여 자기 센서소자(330)에 전달하게 된다.
이때 본 발명의 제3 실시예에 따른 촉각센서(3000)는 다양한 촉각 요소의 감지를 위해 복수의 제1 내지 제3 센서(600, 700, 800)를 더 포함한다. 일예로 제1 센서(600)는 감지면(531)의 전단 하중을 측정하기 위한 하중 센서일 수 있고, 제2 센서(700)는 감지면(531)의 온도를 측정하기 위한 온도 센서일 수 있고, 제3 센서(800)는 감지면(531)의 진동을 측정하기 위한 진동 센서일 수 있다.
제1 센서(600)는 전단 하중을 측정하기 위한 센서의 특성 상 감지면(531)에 인접하여 배치하여야 하고 센서들 간의 신호간섭을 피하기 위하여 가급적 자기장의 영향을 받지 않는 곳에 배치되어야 하는 제약이 따른다. 그러나 본실시예에 따른 촉각센서(3000)는 자기장을 발생시키는 자성 입자(310)의 크기가 작고 이격되어 배치되기 때문에 자성 입자(310)와 자성 입자(310) 사이에 자기장이 발생되지 않는 영역에 제1 센서(600)의 배치가 가능하다. 따라서 제1 센서(600)의 배치를 위해 촉각센서(3000)의 추가 면적이 요구되지 않아 촉각센서(3000)의 면적(S2)을 줄일 수 있는 효과가 있다.
제2 센서(700) 및 제3 센서(800)의 경우에도 센서들 간의 신호간섭을 피하기 위하여 가급적 자기장의 영향을 받지 않는 곳에 배치되어야하는 제약이 따르지만 위와 같이 자성 입자(310)와 자성 입자(310) 사이에 자기장이 발생되지 않는 영역에 배치가 가능하다.
또한 진동을 감지하는 제3 센서(800)의 경우 센서의 깊이에 제약을 받지 않기 때문에 제1 센서(600) 또는 제3 센서(800)의 하측에 적층 배치가 가능하여 촉각센서(3000)의 면적(S2)을 더욱 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 상기한 실시예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
1000, 2000, 3000 : 촉각센서
110, 210, 310 : 자성 입자
120, 220, 320 : 자기 집속체
130, 230, 330 : 자기 센서소자
510, 520, 530 : 기판
511, 521, 531 : 감지면

Claims (8)

  1. 기판의 일면에 형성된 자성 입자;
    상기 기판 내에 구비되되, 상기 기판의 깊이 방향으로 상기 자성 입자와 이격되며, 일면이 상기 자성 입자의 자기장 감지가 가능하도록 배치되며, 하중 또는 진동에 의해 이동하는 상기 자성 입자의 자속을 집속하여 길이 방향 양측 중 어느 한 측에 전달하는 자기 집속체; 및
    상기 기판 내에 구비되되, 상기 자기 집속체의 어느 한 측에 인접 배치되어 집속된 자속을 감지하는 자기 센서소자
    를 포함하는, 자기 집속을 이용한 촉각센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 자기 집속체는,
    자성 재료이며, 단일 또는 다층 구조로 이루어진, 자기 집속을 이용한 촉각센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 자성 입자는,
    마이크로 또는 나노 단위의 직경을 갖되, 복수 개가 상기 기판의 일면 상에 이격 배치되는, 자기 집속을 이용한 촉각센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 자기 집속체는,
    각각의 자성 입자들의 자기장을 감지한 만큼의 면적을 갖되, 길이 방향 양측 중 상기 자기 센서소자에 인접한 측은, 상기 자기 센서소자의 폭 또는 두께에 대응되는 크기를 갖는, 자기 집속을 이용한 촉각센서.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 자기 집속체는,
    유연한 기판에 적용 가능하도록 단일 또는 다층 형태의 필름 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는, 자기 집속을 이용한 촉각센서.
  6. 기판의 일면에 형성된 자성 입자;
    상기 기판 내에 구비되되, 상기 기판의 깊이 방향으로 상기 자성 입자와 이격되며, 길이방향 일측이 상기 자성 입자의 자기장 감지가 가능하도록 상기 기판의 일면에 인접 배치되고, 하중 또는 진동에 의해 이동하는 상기 자성 입자의 자속을 집속하여 길이 방향 타측에 전달하되, 길이방향 타측이 상기 기판의 일면에 대향하는 대향면에 인접하도록 기판 상에 굽힘 또는 절곡 배치되는, 자기 집속체; 및
    상기 기판 내에 구비되되, 상기 자기 집속체의 타측에 인접 배치되어 집속된 자속을 감지하도록 상기 대향면에 인접 배치되는 자기 센서소자
    를 포함하는, 자기 집속을 이용한 촉각센서.
  7. 기판의 일면에 형성되고, 상기 기판의 길이 방향을 따라 이격 배치되는 자성 입자;
    상기 기판 내에 구비되되, 상기 기판의 깊이 방향으로 상기 자성 입자와 이격되며, 상기 자성 입자의 자기장 감지가 가능하도록 배치되며, 하중 또는 진동에 의해 이동하는 상기 자성 입자의 자속을 집속하여 길이 방향 양측 중 어느 한 측에 전달하는, 자기 집속체;
    상기 기판 내에 구비되되, 상기 자기 집속체의 어느 한 측에 인접 배치되어 집속된 자속을 감지하는 자기 센서소자; 및
    상기 자성 입자와 이웃하는 자성 입자 사이에 배치되며, 온도 센서, 전단 하중 센서 또는 진동 센서 중 선택되는 어느 하나 이상의 센서
    를 포함하는, 자기 집속을 이용한 촉각센서.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 진동 센서는,
    상기 온도 센서 또는 하중 센서와 근접 배치되되, 상기 기판의 깊이 방향을 따라 배치되는, 자기 집속을 이용한 촉각센서.
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