KR20160047687A

KR20160047687A - 진자에 설치된 지구 중심을 향하는 빛 혹은 특정 패턴의 위치를 이미지센서 혹은 포토디텍터로 측정하여 경사도를 측정하는 디지털 절대 경사도 측정 방법 및 센서

Info

Publication number: KR20160047687A
Application number: KR1020140143762A
Authority: KR
Inventors: 조동혁
Original assignee: 자이로캠주식회사
Priority date: 2014-10-23
Filing date: 2014-10-23
Publication date: 2016-05-03

Abstract

본 발명은 자유 진동하는 진자의 중심추는 언제나 중력 방향을 향한다는 기본 원리를 적용하며, 원통 형태로 구성하는 경우 하단에 이미지센서 혹은 포토 디텍터 어레이를 설치하고, 상단에 댐핑과 탄성 계수 및 무게로 이루어지는 빛을 발하는(LED 설치) 진자를 설치하여, 하단의 이미지센서 혹은 포토 디텍터 어레이에서 빛이 검출된 픽셀의 좌표를 계산하여 2축 방향의 기울기를 동시에 측정하는 앱솔루트 인크리노메타(Absolute Inclinometer) 혹은 모션센서에 관한 것으로 다음과 같은 효과가 있다. 이러한 개념의 기울기 및 모션센서는 자이로센서나 가속도센서 혹은 틸트센서와 달리 아날로그 값이 아닌 디지털 값으로 경사도를 직접 구함으로써, 근본적으로 온도와 시간에 따른 드리프트가 없어 측정값이 항시 정확하고 안정적이라는 큰 장점이 있어 건축 및 토목 분야와 같이 외부 환경 변화 폭이 큰 시설과 교정이 어려운 위치에 센서를 설치하는 구조물 안전 진단 분야에 적용할 수 있는 효과가 있다.

Description

진자에 설치된 지구 중심을 향하는 빛 혹은 특정 패턴의 위치를 이미지센서 혹은 포토디텍터로 측정하여 경사도를 측정하는 디지털 절대 경사도 측정 방법 및 센서{The digital absolute inclinometer or method which measure the light beam or pattern position of free oscillation pendulum by image sensor or photo detector}

물체를 설치하는 평면의 수평도와 경사도를 측정하기 위해, 오래전부터 주기포관에 기포가 형성되는 정도로 액체를 채워 밀봉하고 액체 수평면이 지구 중심에 대해 직각을 유지하는 중력의 특성을 이용하는 아날로그 수준기가 사용되어 왔다. 주기포관의 감도에 따라 1종은 4초(0.02mm/m)의 경사를 감지하며, 2종은 10초(0.05mm/m), 3종은 20초(0.1mm/m)의 정밀도를 가지고 있으며, 기본 원리는 수준기를 기울이면 기포는 경사가 높은 쪽으로 이동하므로 기포관의 왼쪽과 오른쪽에 눈금선을 설정하고 기포가 가리키는 눈금선의 위치를 읽어 경사도를 측정하고 있다. 전자식 혹은 디지털식 수준기도 개발되어 경사도를 디지털화된 숫자 및 그래픽으로 측정하고 있다. 기본 원리는 원심추를 설치하여 원심추가 가리키는 좌표를 읽어 경사도를 측정하게 되어있는데, 원심추를 탑재해야 되므로 크기 및 무게가 크고 정밀기기로 가격이 매우 비싸지만, 매우 정밀하여 4초의 경사도 측정도 가능하고 전자화되어 있어 컴퓨터에 측정값을 전송할 수 있도록 되어 있다. 이를 휴대용 단말기에 탑재 가능토록 소형화(일례로 1cm x 1cm x 4mm 패키지)할 수 있다면, 현재 스마트폰에 기본적으로 탑재하여 스마트폰의 화면 표시 모드를 가로 및 세로로 자동 변환시켜 주는 가속도센서나 자이로센서를 대체할 가능성이 있다. 가속도 센서는 보통 압전(Piezo) 재료에 가속을 발생시키면 힘이 걸려서 전하가 발생하는 원리를 이용한 것으로, 3축 방향의 중력가속도를 측정하여 이를 적분하면 속도와 변위를 알아낼 수 있지만, 적분의 특성상 적분하는 과정에서 발생하는 적분 상수로 인해 드리프트(Drift)가 심하고 보정이 필요하므로 정밀도를 보장키 어려워 단순한 모션 센서로 사용하고 있다. 회전 각속도 센서인 자이로센서는 회전하는 각의 수직방향으로 코리올리스 힘이 발생하게 되며, 이 수직 힘을 감지하여 각 방향의 회전가속도를 측정하는 방식으로 지자기센서 및 가속도센서에 비해 복잡하게 구성된다. 이와 같은 센서들은 MEMS(미소전기기계시스템, Micro Electro Mechanical Systems) 기술이 적용되어 기존의 기계식에 비해 경박단소하게 만들어지고 있다. 본 발명은 위와 같이 휴대폰, 게임기, 카메라 등에 다양하게 응용범위를 넓혀가고 있는 모션 센서로도 이용할 수 있으면서, 앞의 가속도센서, 자이로센서와 달리 적분하는 과정없이 기울기의 절대값을 바로 측정할 수 있는 새로운 개념의 디지털 광학 측정 방식의 앱솔루트(Absolute) 경사각 혹은 기울기 센서를 제공한다.

아날로그 수준기에서는 유리관에 액체를 채우고, 기포의 위치를 측정하여 측정하려고 하는 기준면의 기울기를 측정하고 있다. 유리관 외벽에 기포의 위치를 전자식으로 측정하는 수단(일례로 액체의 색상이 적색이고, 칼라 이미지센서를 이용하여 측정)이 있고, 이를 읽어 계산하면 간단하게 경사도를 계산할 수 있다. 혹은 전도성을 이용하여 기포의 위치를 측정하여 경사도를 측정할 수 있다. 유리관에서 기포의 변위 변동량을 측정하여 단위시간 간격으로 나누어 주면 해당 방향의 각속도 성분이 만들어지며 해당 시간에 각속도 성분의 차이를 단위 시간으로 나누어 주면 가속도를 계산할 수 있다. 현재 모션 센서로 사용되는 자이로센서 등은 3축의 각속도를 측정하도록 되어 있는데, 유리관 3 개를 각 축에 대응하도록 설치하면 해당 축의 경사각, 각속도, 각가속도를 측정할 수 있다. 이 경우 액체 면이 출렁거리지 않도록 액체의 점성과 밀봉 압력, 격자판, 유리관 내벽의 특성들에 대한 연구가 필요하다. 휴대폰과 같은 휴대용 기기에서 단순히 모션만 감지(일례로 웹브라우저를 가로, 세로 모드로 변경)하는 기능으로 탑재하기 위해서는 센서의 부피가 매우 중요하다. 유리관에서와 같이 액체 면의 높이를 감지하는 기본 원리를 이용하여 3축의 경사각, 각속도, 각가속도를 측정하는 센서를 인쇄회로기판(PCB)에서 직접 구현하여 소형으로 제공하는 수단에 대해서는 본 출원인에 의해 특허출원 10-2010-0051494호 및 10-2010-0053118호 및 10-2010-0128830호에 의해 출원이 이루어졌다. 그러나, 전도성 액체의 안정적인 전도성과 반복성 문제와 액체의 부식성으로 인한 안정적인 센싱 특성을 확보하는데 한계가 있었다.

본 발명은 스마트폰에 사용하는 자이로센서, 가속도센서, 정전용량식 틸트센서를 대체할 수 있도록, 해당 축의 경사도를 직접 디지털로 측정하는 방식을 통하여 기울기 및 모션을 감지하는데 있다. 자이로센서와 가속도센서의 기본 원리는 가속도와 각속도에 해당하는 힘을 측정하고, 이를 적분하여 변위 성분을 계산하므로, 적분이 누적되면서 오차가 발생하는 드리프트(Drift) 현상과 온도와 시간에 따라 아날로그 측정값이 변동한다는 문제점이 있다. 정전용량식 틸트센서는 기울이면 두 극 사이의 액체량이 달라져 정전 용량이 변하는 특성을 이용하여 기울기를 측정하는 아날로그형 센서로 정밀도 및 측정 범위에 제한이 있고, 3축을 동시에 측정할 수 없다는 한계가 있다. 가속도를 측정하는 수단에서 속도와 변위를 역으로 계산하기 위해서는 복잡한 적분 계산을 해야 하는데 반해, 변위를 측정하는 수단은 변위 변화량을 시간으로 나누면 속도를, 속도 변화량을 시간으로 나누면 가속도가 구해진다. 본 출원인은 특허출원 10-2010-0051494호 및 10-2010-0053118호 및 10-2010-0128830호를 통하여 기존 센서들과는 다르게 변위를 디지털 값으로 바로 측정하도록 구성(Absolute Inclinometer 개념)하여, 시간 및 온도에 따른 측정값 변화가 근본적으로 없도록 하였다. 또한, 단위 시간당 변위 변화량을 계산하여 속도와 가속도를 구하도록 함으로써 상기 문제점을 해결한 바 있다. 즉, 자이로센서와 가속도센서, 지자기센서는 센서의 구조와 원리상 모두 아날로그 수치 값이 나와 이를 변환하여 디지털 값으로 바꾸는 회로(일례로 AD 변환기)가 필요한데, 측정값이 센서 부분에서 디지털로 직접 나오는 센서는 주변 회로 및 계산 과정이 간단하게 구성된다는 이점이 있다. 특히, 아날로그 측정값의 경우 온도, 습도와 같은 환경의 영향을 받고 노이즈(Noise) 성분들이 포함되기 때문에 회로나 프로그램으로 변환하거나 신호 필터링 및 필요에 따라 보상(Compensation)이 필요하다는 문제점이 있다. 현재 수평면을 측정하는 전자식 수준기의 기본 원리는 경사면에서 지구 중심축을 향하는 원심추의 기울어진 각도를 측정하여 경사각을 계산하는 방식이다. 구조상 원심추의 최소 공간이 필요하여 부피가 크며, 경사각과 같은 변위측정은 가능하지만 각속도 등과 같이 동적 측정 용도로는 적합하지 않고, 반도체 패키지 형태의 소형화가 어려워 휴대폰, 게임기 등에 널리 사용되는 모션인식 센서로 사용할 수 없다는 문제점이 있다. 본 출원인은 특허출원 10-2010-0051494호 및 10-2010-0053118호 및 10-2010-0128830호는 기존 센서들과는 다르게 변위를 디지털 값으로 바로 측정토록 구성하는 경우에도, 드리프트없는 디지털 값을 직접 측정한다는 장점이 있지만, 많은 센싱 입력 단자(일례로 구 형태 기구에 3개 측정 축을 설치할 경우, 180 영역의 1개 축에서 0.5 간격으로 측정하기 위해서는 360 개의 센싱 입력단자가 필요)가 필요하여 이를 처리하기 위한 반도체 웨이퍼 다이(Die)와 패키지 크기가 커진다는 문제점이 있다. 즉, 반도체 다이(Die) 크기가 커지면 제품 크기가 증가하게 되고(360 개의 핀을 갖는 반도체 패키지의 경우 최소 20 x 20 내외), 웨이퍼 다이(Die) 크기에 비례하여 전력 소비 및 단가가 상승하게 된다는 문제점이 있다. 또한, 측정 용기 안에 채워져 있는 전도성 액체의 물리 화학적 특성으로 인한 전극과 액체 간의 표면장력에 의한 오차, 전도성 액체의 부식으로 인한 내구성 등의 문제점이 발생할 우려가 높다. 본 발명에서는 이를 해결하기 위해 전도성 액체를 사용하는 방법 대신 자유 진동하는 진자의 위치를 아날로그 방식이 아닌 디지털 방식으로 측정하는 개념을 제시하고자 한다.

현재 진자의 위치를 측정하는 방식 경사계의 기본 원리는 서보가속계 원리로써 위치감지기의 자기장 내에 한 개의 진자가 놓여있고 이는 중력의 작용을 받으면 중력 작용 방향으로 기울어지게 되고 이로 인하여 전류가 변화시키면 진자는 처음의 변하려는 중력과 전자기력을 반대 방향으로 가지게 되므로 평형이 이루어져 움직이지 않게 되므로, 전류값을 통하여 경사도를 측정할 수 있다. MEMS형 가속도 센서의 기본 원리도 외팔보 끝단과 전극 사이의 정전 용량 변화를 측정하여 가속도와 경사도를 측정하는 방법 등도 알려져 있다. 이러한 방식들은 기본적으로 아날로그 측정값을 기반으로 하므로 온도 및 환경 보상과 초기 영점 조정을 수시로 해줘야 한다는 문제점이 있다. 그러므로 진자의 위치를 온도와 환경의 영향이 없도록 디지털 방식으로 측정하는 방법이 필요하게 된다.

디지털 방식으로 진자의 위치를 측정하는 방법으로는 진자 끝단에 전도성 침을 달아 진자와 접하는 궤도면에 다수의 전극을 심어 접촉되는 전극의 위치를 찾는 방법이 있다. 이러한 방식으로는 1축 기울기 측정은 구현 가능하겠지만, 2축 기울기를 측정하기 위해서는 수많은 전극을 궤도면에 설치해야 하는 문제점이 있다. 또한 접촉식으로 센싱할 경우 접촉하는 면이 마모된다는 문제점과 전극을 진자의 궤도 면과 접하도록 구면에 모두 배치해야 한다는 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해서는 하단에 이미지센서를 배치하고 진자의 위치를 이미지센서로 캡쳐한 영상 인식으로 추적하는 방식이 제안될 수 있는데, 밀폐 공간에서 이미지 센서로 진자의 위치를 추적하기 위해서는 진자에 LED 등을 설치하여 빛을 발하거나, 내부의 조명 LED를 점등시켜 진자의 위치 혹은 진자에 설치된 특수 패턴를 인식하는 방법이 있다. 정밀한 위치 측정을 위해서는 상단에서 진동하는 진자의 중심에서 레이저 광 등 특정 주파수의 미세한 빛을 방출하게 하고 이를 하단의 이미지 센서로 조사되는 해당 픽셀을 찾아내는 방법이 가장 효율적이다. 레이저 LED에서 방출하는 빛의 폭이 1um이고, 이미지 센서의 픽셀 크기가 1um(1/5 인치급 5M 이미지센서의 픽셀은 1.12um임) 이라고 하고, 진자 길이가 10mm라고 하면 측정 정밀도는 arctan(1um/10mm) = 0.005도 내외이며, 진자길이가 50mm일 경우 0.0001도까지 측정 가능하다.

본 발명과 같이 기존 센서들과는 다르게 AD변환이 필요없는 디지털 값으로 기울기를 직접 측정하도록 구성하기 위해서는, 일반적으로 원통 형태로 케이스를 구성하는 경우 하단에 이미지센서 혹은 포토 디텍터 어레이를 설치하고, 상단에 댐핑과 탄성 계수 및 매스(무게)로 모델링되는 빛을 발하는(LED 설치 등) 진자를 설치하면, 이미지센서 혹은 포토 디텍터 어레이에서 빛이 검출된 해당 픽셀을 인식하면 2축 방향의 기울기를 동시에 측정할 수 있다. 이 측정값의 단위 시간의 변화량을 측정하면 속도 성분이 계산되고, 단위 시간의 속도 변화량을 계산하면 가속도 성분이 얻어져 모션인식 센서로도 사용할 수 있다. 본 발명은 자유 진동하는 진자의 중심이 언제나 중력 방향을 향한다는 원리를 이용하고, 정해진 용기 안에서 진자의 중심에 설치한 광원의 빛이 직진하여 하단의 이미지센서 혹은 포토디텍터 어레이에서 해당 빛이 가장 강하게 닿는 픽셀의 위치를 측정하므로 영점 보정(zero setting)할 필요가 없는 디지털 측정값(AD 변환 값이 아닌)으로 표시되는 절대 경사계를 구현할 수 있다. 토목 및 건설 구조물에 사용하는 경우, 적은 측정 범위과 높은 정밀도를 만족시키기 위하여 원통의 길이를 10cm로 할 경우 이미지센서의 픽셀 간격이 1um인 경우 0.0005도의 정밀도도 확보할 수 있다. 중심축을 기준으로 진동하는 진자는 외부 충격 및 진동, 지진파 등에도 매우 민감하게 움직이므로, 해당 분야 계측 센서(충격센서, 진동센서, 지진센서 등)로도 활용될 수 있다.

본 발명은 자유 진동하는 진자의 중심추는 언제나 중력 방향을 향한다는 기본 원리를 적용하며, 원통 형태로 구성하는 경우 하단에 이미지센서 혹은 포토 디텍터 어레이를 설치하고, 상단에 댐핑과 탄성 계수 및 무게로 이루어지는 빛을 발하는(LED 설치) 진자를 설치하여, 하단의 이미지센서 혹은 포토 디텍터 어레이에서 빛이 검출된 픽셀의 좌표를 계산하여 2축 방향의 기울기를 동시에 측정하는 앱솔루트 인크리노메타(Absolute Inclinometer) 혹은 모션센서에 관한 것으로 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 이러한 개념의 기울기 및 모션센서는 자이로센서나 가속도센서 혹은 틸트센서와 달리 아날로그 값이 아닌 디지털 값으로 경사도를 직접 구함으로써, 근본적으로 온도와 시간에 따른 드리프트가 없어 측정값이 항시 정확하고 안정적이라는 큰 장점이 있어 건축 및 토목 분야와 같이 외부 환경 변화 폭이 큰 시설과 교정이 어려운 위치에 센서를 설치하는 구조물 안전 진단 분야에 적용할 수 있는 효과가 있다.

둘째, MEMS형 가속도센서나 자이로센서를 통해 경사도를 계산하려면 측정값을 적분해야 하며 이 과정에서 발생하는 적분 상수로 인해 드리프트가 발생하는데 본 발명은 직접 경사도를 디지털로 측정하므로 드리프트가 전혀 없는 센서가 제공하는 효과가 있다.

셋째, 이미지센서의 경우 전용 프로세서로 초당 60프레임 이상도 처리할 수 있으므로 매우 빠른 응답성을 확보할 수 있으며, 빛의 궤적을 재계산함으로써 다양한 기울기 및 모션, 진동의 특성을 분석할 수 있는 효과가 있다.

넷째, 진자는 소형화 및 측정 범위와 정밀도를 조절하기가 용이하므로 진자를 외팔보로 구현하는 반도체 패키지 형태로 소형화될 경우 휴대폰 및 게임기, 리모컨, 마우스와 같은 모바일 기기의 경사도 및 운동 방향을 정밀하게 측정하는 용도로 사용될 수 있고, 디스플레이 수단이 포함될 경우 정밀하게 수평을 유지해야 하는 공작기계 등에도 기본 적용될 수 있다.

제 1 도는 전자식 수준기의 이미지도이다.
제 2 도는 본 발명의 케이스 하단에 이미지센서 혹은 포토 디텍터 어레이를 설치하고, 상단에 빛을 발하는 진자를 설치한 기울기센서의 구성도이다.
제 3 도는 본 발명의 케이스 하단에 이미지센서 혹은 포토 디텍터 어레이를 설치하고, 상단에 빛을 발하는 진자를 설치한 기울기센서의 블록도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 자유 진동하는 진자의 중심은 언제나 중력 방향을 향한다는 기본 원리를 적용하여, 케이스 하단에 이미지센서 혹은 포토 디텍터 어레이를 설치하고, 상단에 댐핑과 탄성 계수 및 무게로 이루어지는 자유진동하는 빛을 발하는(LED 설치) 진자를 설치하여, 이미지센서 혹은 포토 디텍터 어레이에서 빛이 검출된 픽셀들의 위치를 계산, 2축 방향의 기울기를 동시에 측정하는 앱솔루트 인크리노메타(Absolute Inclinometer) 혹은 모션센서에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 아날로그 측정값을 AD 변환하는 기존 센서들과는 달리, 진자 중심(LED 빛 혹은 패턴) 위치를 이미지센서 혹은 포토디텍터에서 빛 혹은 패턴이 감지된 픽셀들의 위치를 기준으로 기울기를 측정하도록 구성함으로써 측정값 자체가 디지털 값이다. 그러므로, 기존 센서들과 달리 온도/습도/조도와 같은 외부 환경 요인의 영향을 받지 않고 교정이 필요하지 않다는 장점이 있다. 센서의 측정 정밀도는 이미지센서 혹은 포토디텍터의 픽셀 크기와 진자 중심과 이미지센서간의 거리에 의해 결정되는데, 현재 보편화된 5M 픽셀급 이미지센서도 픽셀 크기가 1um 내외이므로 진자와 간격을 10mm로 할 경우 0.005도 정밀도를 확보할 수 있다. 이하 첨부 도면에 의해 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

제 1 도는 전자식 수준기의 이미지도이다. 수준기는 측정 정밀도에 따라 1종은 0.02mm/m(약 4초), 2종은 0.05mm/m(약 10초), 3종은 0.1mm/m(약 20초)로 구분되며, 정밀도에 따라 수백 ~ 수천만원의 가격으로 판매되고 있다.

제 2 도는 본 발명의 케이스 하단에 이미지센서 혹은 포토 디텍터 어레이를 설치하고, 상단에 빛을 발하는 진자를 설치한 기울기센서의 구성도이다. 물체의 기울기를 측정하는 센서에 있어서, 용기 및 케이스(5) 내에 진동하여 지구 중심을 향하는 진자(2)를 진자 중심축(6)에 설치하는 수단, 용기 및 케이스(5) 하단에 진자의 위치를 인식하는 이미지센서 혹은 포토 디텍터(1)를 설치하는 수단, 진자 중심축(6)을 기준으로 진동하는 진자(2)에 위치 계산을 위한 패턴 혹은 빛을 발하는(LED 포함) 소자(3)를 설치하는 수단, 이미지센서 혹은 포토 디텍터(1)로 진자(2)의 위치 계산을 위한 패턴 혹은 빛을 발하는 소자(3) 위치를 검출하여 물체의 기울기를 측정한다. 이를 통해 용기 내 지구 중심을 향하는 진자의 중심 위치를 검출하여 기울기를 계산하는 센서 및 측정 방법 및 이를 적용한 장치를 제공할 수 있다. 이 경우, 용기의 형태는 구형, 혹은 원통형, 혹은 삼각면체, 혹은 사각면체, 혹은 다각면체 중 한가지로 구성한다. 이를 구현하기 위해, 진자의 특정 위치에서 빛을 발하게 하고 이미지센서 혹은 포토디텍터에서 빛을 감지한 픽셀의 위치를 계산하는 방법과, 진자에 특정 패턴을 설치하고 이미지센서에서 진자의 패턴 상태를 영상 인식하여 기울기를 측정하는 두가지 방법이 제안될 수 있다. 첫째 방법으로는, 진자 중심축(6)을 기준으로 진동하는 진자(2)에 위치 계산을 위한 패턴을 설치하고, 패턴을 인식할 수 있도록 용기 내에 조명을 위한 빛을 공급하는 수단을 설치하여 작동시킨 후, 이미지센서(1)로 캡쳐하는 영상에서 진자(2)의 위치 계산을 위한 패턴을 인식하는 수단과, 이미지센서(1) 상의 패턴 위치를 기준으로 진자의 위치를 계산하여 물체의 기울기를 측정하도록 구성한다. 측정 정밀도를 높이기 위해서, 진자 중심축(6)을 기준으로 진동하는 진자(2)에 위치 계산을 위한 패턴은 복수 개를 설치하고, 이미지센서(1)로 캡쳐하는 영상에서 진자(2)의 위치 계산을 위한 복수 개의 패턴을 인식하는 수단과, 이미지센서(1)상의 복수 개의 패턴 위치를 기준으로 진자의 위치를 계산하여 물체의 기울기를 측정하도록 구성할 수 있다. 진자의 위치와 이미지센서의 물리적 배치에 의하여 측정 범위가(일례로 원통직경 10mm에 진자 길이 5mm일 경우 측정범위는 90도) 제한된다. 이를 해결하기 위해서는 진자 길이를 짧게 하면서, 진자 중심축(6)을 기준으로 진동하는 진자(2)에 위치 계산을 위한 패턴은 복수 개를 설치하고, 이미지센서(1)로 캡쳐하는 영상에서 진자(2)의 위치 계산을 위한 복수 개의 패턴을 인식하는 수단으로 이미지센서(1)상의 복수 개의 패턴 위치를 기준으로 진자의 위치를 계산하여, 1개의 패턴만을 사용할 경우 용기 및 케이스(5)와 이미지센서(1)의 물리적 배치로 제한되는 기울기 측정 범위를 벗어나더라도, 다른 패턴의 위치를 인식하여 물체의 기울기를 측정하도록 구성한다. 진자는 일반적으로 자유 진동하므로 안정화되는 시간이 필요하여, 기울기를 측정하기 위해서는 시간이 걸린다. 이를 최소화하기 위해 진자는 기준점을 중심으로 같은 진폭으로 진동하므로, 이미지센서(1)로 캡쳐하는 영상에서 진자(2)의 위치 계산을 위한 패턴의 위치를 인식하는 수단과, 이미지센서(1) 상에 복수 개의 픽셀들에서 패턴의 위치가 검출되는 경우 패턴을 검출한 픽셀들의 중앙을 계산하는 수단과, 패턴을 검출한 픽셀들의 중앙 위치를 기준으로 진자의 위치를 계산하여 물체의 기울기를 측정하도록 구성한다.

두번째 방법으로는, 진자 중심축(6)을 기준으로 진동하는 진자(2)에 위치 계산을 위한 빛을 발하는 LED 등과 같은 소자(3)를 설치하고, 이미지센서 혹은 포토디텍터(1)로 캡쳐하는 영상에서 진자(2)에서 발하는 빛의 위치를 인식하는 수단과, 이미지센서 혹은 포토디텍터(1) 상에 표시된 빛의 위치를 기준으로 진자의 위치를 계산하여 물체의 기울기를 측정하도록 구성한다. 측정 정밀도를 높이기 위해서, 진자 중심축(6)을 기준으로 진동하는 진자(2)에 위치 계산을 위한 빛을 발하는 LED 등과 같은 소자(3)를 복수 개 설치하고, 이미지센서 혹은 포토디텍터(1)로 캡쳐하는 영상에서 진자(2)에서 발하는 복수 개 빛의 위치를 인식하는 수단과, 이미지센서 혹은 포토디텍터(1) 상에 표시된 복수 개의 빛 위치를 기준으로 진자의 위치를 계산하여 물체의 기울기를 계산한다. 진자의 위치와 이미지센서의 물리적 배치에 의하여 측정 범위가(일례로 원통직경 10mm에 진자 길이 5mm일 경우 측정범위는 90도) 제한된다. 이를 해결하기 위해서는 진자 길이를 짧게 하면서, 진자 중심축(6)을 기준으로 진동하는 진자(2)에 위치 계산을 위한 빛을 발하는 LED 등과 같은 소자(3)를 복수 개 설치하고, 이미지센서 혹은 포토디텍터(1)로 캡쳐하는 영상에서 진자(2)에서 발하는 복수 개 빛의 위치를 인식하는 수단과, 이미지센서 혹은 포토디텍터(1) 상에 표시된 복수 개의 빛 위치를 기준으로 진자의 위치를 계산하여, 1 개의 빛의 위치만을 사용할 경우 용기 및 케이스(5)와 이미지센서(1)의 물리적 배치로 제한되는 기울기 측정 범위를 벗어나더라도, 다른 빛의 위치를 인식하여 물체의 기울기를 측정하도록 구성한다. 진자는 진동하므로 안정화되는 시간이 필요하여, 기울기를 측정하기 위해서는 시간이 걸린다. 이를 최소화하기 위해 진자는 기준점을 중심으로 같은 진폭으로 진동하므로, 이미지센서 혹은 포토디텍터(1)로 캡쳐하는 영상에서 진자(2)에서 발하는 빛의 위치를 인식하는 수단과, 이미지센서 혹은 포토디텍터(1) 상에 복수 개의 픽셀들에서 빛의 위치가 검출되는 경우 빛을 검출한 픽셀들의 중앙을 계산하는 수단과, 빛을 검출한 픽셀들의 중앙 위치를 기준으로 진자의 위치를 계산하여 물체의 기울기를 계산하도록 구성한다.

이상적으로 빛이나 패턴을 1 개의 픽셀만으로 인식하는 것이 바람직하지만 이는 물리적으로 불가능하며 복수개의 픽셀로 인식할 수밖에 없다. 그러므로, 이미지센서 혹은 포토디텍터(1)로 캡쳐하는 영상에서 진자(2)에서 발하는 빛의 위치를 인식하는 수단과, 이미지센서 혹은 포토디텍터(1) 상에 복수 개의 픽셀들에서 빛의 위치가 검출되는 경우 빛을 검출한 픽셀들의 중앙을 계산하는 수단과, 빛을 검출한 픽셀들의 중앙 위치의 좌표 및 진자와 이미지센서 혹은 포토디텍터(1) 간의 거리를 이용, 삼각함수에 의해 각 방향의 기울기를 계산하는 수단으로 각 축에 대한 기울기를 계산하도록 구성한다. 혹은, 이미지센서 혹은 포토디텍터(1)로 캡쳐하는 영상에서 진자(2)에서 발하는 빛의 위치를 인식하는 수단과, 이미지센서 혹은 포토디텍터(1) 상에 복수 개의 픽셀들에서 빛의 위치가 검출되는 경우, 빛을 검출한 픽셀들의 중앙 점을 계산하는 수단과, 진자의 진동에 따른 빛을 검출한 픽셀들의 중앙점의 이동 궤적을 계산하는 수단과, 빛을 검출한 픽셀들의 중앙점 이동 궤적의 가운데로 새로운 중앙 위치를 계산하는 수단과, 새로운 중앙 위치의 좌표 및 진자와 이미지센서 혹은 포토디텍터(1) 간의 거리를 이용 삼각함수에 의해 각 방향의 기울기를 계산하는 수단으로 각 축에 대한 기울기를 계산하도록 구성한다.

또 다른 방법으로는, 이미지센서(1)로 캡쳐하는 영상에서 진자(2)의 위치 계산을 위한 패턴의 위치를 인식하는 수단과, 이미지센서(1) 상에 복수 개의 픽셀들에서 패턴의 위치가 검출되는 경우 패턴을 검출한 픽셀들의 중앙을 계산하는 수단과, 패턴을 검출한 픽셀들의 중앙 위치의 좌표 및 진자와 이미지센서 혹은 포토디텍터(1) 간의 거리를 이용 삼각함수에 의해 각 방향의 기울기를 계산하는 수단으로 각 축에 대한 기울기를 계산한다. 이와 함께, 이미지센서(1)로 캡쳐하는 영상에서 진자(2)의 위치 계산을 위한 패턴의 위치를 인식하는 수단과, 이미지센서(1) 상에 복수 개의 픽셀들에서 패턴의 위치가 검출되는 경우 패턴을 검출한 픽셀들의 중앙을 계산하는 수단과, 진자의 진동에 따른 패턴을 검출한 픽셀들의 중앙점의 이동 궤적을 계산하는 수단과, 빛을 검출한 픽셀들의 중앙점 이동 궤적의 가운데로 새로운 중앙 위치를 계산하는 수단과, 새로운 중앙 위치의 좌표 및 진자와 이미지센서 혹은 포토디텍터(1) 간의 거리를 이용 삼각함수에 의해 각 방향의 기울기를 계산하는 수단으로 각 축에 대한 기울기를 계산하도록 구성한다. 이와 같이 각 축 방향의 기울기를 계산하는 수단으로 각 축의 단위 시간당 기울기 변화로 각속도를 계산하는 수단 및, 각 축의 단위 시간당 각속도 변화로 각가속도를 계산하는 수단도 제공될 수 있다.

이와 같이 이미지센서로 특정 패턴 혹은 빛을 감지하여 실시간으로 영상처리를 수행하기 위해서는 고성능 프로세서를 필요로 한다. 스마트폰의 대중화가 급격히 진행되면서 많은 구형 스마트폰의 재활용 또한 시급한 문제이다. 본 발명은 이러한 구형 스마트폰 재활용을 위하여, 이미지센서 혹은 포토디텍터(1) 및 구동 회로를 스마트폰의 보드와 설치된 이미지센서를 사용하여 구성한다. 이와 함께, 스마트폰의 보드에 설치된 지자기센서 혹은 가속도센서 혹은 자이로센서 혹은 조도센서 혹은 온도센서의 정보를 함께 디스플레이에 표시하도록 구성함으로써 스마트한 종합 계측기를 제공하도록 한다. 이와 함께, 스마트폰의 보드에 설치된 무선통신수단 혹은 이동통신수단으로 측정된 센서의 정보를 원격지에 전송하도록 구성함으로써 기존 센서들의 단점인 네트워크와 연결하는 문제를 해결한다.

제 3 도는 본 발명의 케이스 하단에 이미지센서 혹은 포토 디텍터 어레이를 설치하고, 상단에 빛을 발하는 진자를 설치한 기울기센서의 블록도이다. 즉, 물체의 기울기를 측정하는 센서에 있어서, 용기 및 케이스 하단에는 진자의 위치를 인식하는 이미지센서 혹은 포토 디텍터(300)를, 진자 중심축을 기준으로 진동하는 진자의 위치 계산을 위한 패턴을 읽어들이기 위한 진자 패턴인식용 빛 공급수단(100) 혹은 빛을 발하는 LED(200)를 설치하여, 이미지센서 혹은 포토 디텍터(300)의 영상을 캡쳐하여 영상 및 중앙처리 수단(400)으로 패턴 혹은 빛을 발하는 LED(200)의 위치를 검출하고, 진자거리 L과 X축 기울어진 거리(x) 및 Y축 기울어진 거리(y)를 기준으로 하여 기울기를 삼각함수로 계산(500)함으로써, X축 및 Y축 기울기를 계산하도록 구성한다.

1 : 이미지세서 혹은 포토디텍터 2 : 진자
3 : 빛을 발하는 소자(LED) 4 : 빛
5 : 용기 및 케이스 6 : 진자 중심축
100 : 진자 패턴인식용 빛 공급수단 200 : 빛을 발하는 소자(LED)
300 : 이미지센서 혹은 포토디텍터 400 : 영상 및 중앙처리 수단
500 : 기울기 삼각함수 계산

Claims

물체의 기울기를 측정하는 센서에 있어서,
용기 및 케이스(5) 내에 진동하여 지구 중심을 향하는 진자(2)를 진자 중심축(6)에 설치하는 수단;
용기 및 케이스(5) 하단에 진자의 위치를 인식하는 이미지센서 혹은 포토 디텍터(1)를 설치하는 수단;
진자 중심축(6)을 기준으로 진동하는 진자(2)에 위치 계산을 위한
패턴 혹은 빛을 발하는 소자(3)를 설치하는 수단;
이미지센서 혹은 포토 디텍터(1)로 진자(2)의 위치 계산을 위한 패턴 혹은 빛을 발하는 소자(3) 위치를 검출하여
기울기를 계산하는 수단으로 해당 물체의 기울기를 측정함을 특징으로 하는 용기 내 지구 중심을 향하는 진자 위치를 검출하여 기울기를 계산하는 센서 및 측정 방법 및 이를 적용한 장치
제 1 항에 있어서,
용기 및 케이스(5)의 형태가
구형 ;
혹은 원통형 ;
혹은 삼각면체 ;
혹은 사각면체 ;
혹은 다각면체 중 한가지로 구성됨을 특징으로 하는 용기 내 지구중심을 향하는 진자 위치를 검출하여 기울기를 계산하는 센서 및 측정 방법 및 이를 적용한 장치
제 1 항에 있어서,
진자 중심축(6)을 기준으로 진동하는 진자(2)에 위치 계산을 위한 패턴을 설치하고,
패턴을 인식할 수 있도록 용기 내 조명을 위한 빛을 공급하는 수단을 설치하여 작동시킨 후,
이미지센서(1)로 캡쳐하는 영상에서 진자(2)의 위치 계산을 위한 패턴을 인식하는 수단;
이미지센서(1) 상의 패턴을 감지한 픽셀들의 위치를 기준으로 진자의 위치를 계산하여
물체의 기울기를 측정함을 특징으로 하는 용기 내 지구중심을 향하는 진자 위치를 검출하여 기울기를 계산하는 센서 및 측정 방법 및 이를 적용한 장치
제 1 항에 있어서,
진자 중심축(6)을 기준으로 진동하는 진자(2)에 위치 계산을 위한 패턴은 복수 개를 설치하고,
이미지센서(1)로 캡쳐하는 영상에서 진자(2)의 위치 계산을 위한 복수 개의 패턴을 인식하는 수단;
이미지센서(1) 상의 복수 개의 패턴을 감지한 픽셀들의 위치를 기준으로 진자의 위치를 계산하여
물체의 기울기를 측정함을 특징으로 하는 용기 내 지구 중심을 향하는 진자 위치를 검출하여 기울기를 계산하는 센서 및 측정 방법 및 이를 적용한 장치
제 1 항에 있어서,
진자 중심축(6)을 기준으로 진동하는 진자(2)에 위치 계산을 위한 패턴은 복수 개를 설치하고,
이미지센서(1)로 캡쳐하는 영상에서 진자(2)의 위치 계산을 위한 복수 개의 패턴을 인식하는 수단;
이미지센서(1)상의 복수 개의 패턴을 감지한 픽셀들의 위치를 기준으로 진자의 위치를 계산함으로써,
1 개의 패턴만을 사용할 경우 용기 및 케이스(5)와 이미지센서(1)의 물리적 배치로 제한되는 기울기 측정 범위를 벗어나더라도
다른 패턴의 위치를 인식하여 물체의 기울기를 측정함을 특징으로 하는 용기 내 지구 중심을 향하는 진자 위치를 검출하여 기울기를 계산하는 센서 및 측정 방법 및 이를 적용한 장치
제 1 항에 있어서,
이미지센서(1)로 캡쳐하는 영상에서 진자(2)의 위치 계산을 위한 패턴의 위치를 인식하는 수단;
이미지센서(1) 상에 복수 개의 픽셀들에서 패턴의 위치가 검출되는 경우 패턴을 검출한 픽셀들의 중앙을 계산하는 수단;
패턴을 검출한 픽셀들의 중앙 위치를 기준으로 진자의 위치를 계산하여
물체의 기울기를 측정함을 특징으로 하는 용기 내 지구중심을 향하는 진자 위치를 검출하여 기울기를 계산하는 센서 및 측정 방법 및 이를 적용한 장치
제 1 항에 있어서,
진자 중심축(6)을 기준으로 진동하는 진자(2)에 위치 표시를 위한 빛을 발하는 소자(3)를 설치하고,
이미지센서 혹은 포토디텍터(1)로 캡쳐하는 영상에서 진자(2)에서 발하는 빛의 위치를 인식하는 수단;
이미지센서 혹은 포토디텍터(1) 상에 표시된 빛을 감지한 픽셀 위치를 기준으로 진자의 위치를 계산하여
물체의 기울기를 측정함을 특징으로 하는 용기 내 지구 중심을 향하는 진자 위치를 검출하여 기울기를 계산하는 센서 및 측정 방법 및 이를 적용한 장치
제 1 항에 있어서,
진자 중심축(6)을 기준으로 진동하는 진자(2)에 위치 표시를 위한 빛을 발하는 소자(3)를 복수 개 설치하고,
이미지센서 혹은 포토디텍터(1)로 캡쳐하는 영상에서 진자(2)에서 발하는 복수 개 빛의 위치를 인식하는 수단;
이미지센서 혹은 포토디텍터(1) 상에 표시된 복수 개의 빛을 감지한 픽셀들의 위치를 기준으로 진자의 위치를 계산하여
물체의 기울기를 측정함을 특징으로 하는 용기 내 지구 중심을 향하는 진자 위치를 검출하여 기울기를 계산하는 센서 및 측정 방법 및 이를 적용한 장치
제 1 항에 있어서,
진자 중심축(6)을 기준으로 진동하는 진자(2)에 위치 표시를 위한 빛을 발하는 소자(3)를 복수 개 설치하고,
이미지센서 혹은 포토디텍터(1)로 캡쳐하는 영상에서 진자(2)에서 발하는 복수 개 빛의 위치를 인식하는 수단;
이미지센서 혹은 포토디텍터(1) 상에 표시된 복수 개의 빛을 감지한 픽셀들의 위치를 기준으로 진자의 위치를 계산함으로써,
1개의 빛의 위치만을 사용할 경우 용기 및 케이스(5)와 이미지센서(1)의 물리적 배치로 제한되는 기울기 측정 범위를 벗어나더라도
다른 빛을 감지한 픽셀들의 위치를 인식하여 물체의 기울기를 측정함을 특징으로 하는 용기 내 지구 중심을 향하는 진자 위치를 검출하여 기울기를 계산하는 센서 및 측정 방법 및 이를 적용한 장치
제 1 항에 있어서,
이미지센서 혹은 포토디텍터(1)로 캡쳐하는 영상에서 진자(2)에서 발하는 빛의 위치를 인식하는 수단;
이미지센서 혹은 포토디텍터(1) 상에 복수 개의 픽셀들에서 빛의 위치가 검출되는 경우 빛을 검출한 픽셀들의 중앙을 계산하는 수단;
빛을 검출한 픽셀들의 중앙 위치를 기준으로 진자의 위치를 계산하여
물체의 기울기를 측정함을 특징으로 하는 용기 내 지구 중심을 향하는 진자 위치를 검출하여 기울기를 계산하는 센서 및 측정 방법 및 이를 적용한 장치
제 1 항에 있어서,
이미지센서 혹은 포토디텍터(1)로 캡쳐하는 영상에서 진자(2)에서 발하는 빛의 위치를 인식하는 수단;
이미지센서 혹은 포토디텍터(1) 상에 복수 개의 픽셀들에서 빛의 위치가 검출되는 경우 빛을 검출한 픽셀들의 중앙 점을 계산하는 수단;
빛을 검출한 픽셀들의 중앙 위치의 좌표 및
진자중심축과 이미지센서 혹은 포토디텍터(1) 간의 거리를 이용 삼각함수에 의해 각 방향의 기울기를 계산하는 수단;
각 축에 대한 기울기를 계산하도록 구성함을 특징으로 하는 용기 내 지구 중심을 향하는 진자 위치를 검출하여 기울기를 계산하는 센서 및 측정 방법 및 이를 적용한 장치
제 1 항에 있어서,
이미지센서 혹은 포토디텍터(1)로 캡쳐하는 영상에서 진자(2)에서 발하는 빛의 위치를 인식하는 수단;
이미지센서 혹은 포토디텍터(1) 상에 복수 개의 픽셀들에서 빛의 위치가 검출되는 경우 빛을 검출한 픽셀들의 중앙 점을 계산하는 수단;
진자의 진동에 따른 빛을 검출한 픽셀들의 중앙 점의 이동 궤적을 계산하는 수단;
빛을 검출한 픽셀들의 중앙점 이동 궤적의 가운데로 새로운 중앙 위치를 계산하는 수단;
새로운 중앙 위치의 좌표 및
진자와 이미지센서 혹은 포토디텍터(1) 간의 거리를 이용 삼각함수에 의해 각 방향의 기울기를 계산하는 수단;
각 축에 대한 기울기를 계산하도록 구성함을 특징으로 하는 용기 내 지구 중심을 향하는 진자 위치를 검출하여 기울기를 계산하는 센서 및 측정 방법 및 이를 적용한 장치
제 1 항에 있어서,
이미지센서(1)로 캡쳐하는 영상에서 진자(2)의 위치 계산을 위한 패턴의 위치를 인식하는 수단;
이미지센서(1) 상에 복수 개의 픽셀들에서 패턴의 위치가 검출되는 경우 패턴을 검출한 픽셀들의 중앙을 계산하는 수단;
패턴을 검출한 픽셀들의 중앙 위치의 좌표 및
진자와 이미지센서 혹은 포토디텍터(1) 간의 거리를 이용 삼각함수에 의해 각 방향의 기울기를 계산하는 수단;
각 축에 대한 기울기를 계산하도록 구성함을 특징으로 하는 용기 내 지구 중심을 향하는 진자 위치를 검출하여 기울기를 계산하는 센서 및 측정 방법 및 이를 적용한 장치
제 1 항에 있어서,
이미지센서(1)로 캡쳐하는 영상에서 진자(2)의 위치 계산을 위한 패턴의 위치를 인식하는 수단;
이미지센서(1) 상에 복수 개의 픽셀들에서 패턴의 위치가 검출되는 경우 패턴을 검출한 픽셀들의 중앙을 계산하는 수단;
진자의 진동에 따른 패턴을 검출한 픽셀들의 중앙 점의 이동 궤적을 계산하는 수단;
빛을 검출한 픽셀들의 중앙 점 이동 궤적의 가운데로 새로운 중앙 위치를 계산하는 수단;
새로운 중앙 위치의 좌표 및
진자와 이미지센서 혹은 포토디텍터(1) 간의 거리를 이용 삼각함수에 의해 각 방향의 기울기를 계산하는 수단;
각 축에 대한 기울기를 계산하도록 구성함을 특징으로 하는 용기 내 지구 중심을 향하는 진자 위치를 검출하여 기울기를 계산하는 센서 및 측정 방법 및 이를 적용한 장치
제 1 항에 있어서,
각 축 방향의 기울기를 계산하는 수단;
각 축의 단위 시간당 기울기 변화로 각속도를 계산하는 수단: 및
각 축의 단위 시간당 각속도 변화로 각가속도를 계산하는 수단으로 구성함을 특징으로 하는 용기 내 지구 중심을 향하는 진자 위치를 검출하여 기울기를 계산하는 센서의 각속도 및 각가속도 계산 방법
제 1 항에 있어서,
이미지센서 혹은 포토디텍터(1) 및 구동 회로를
스마트폰의 보드와 설치된 이미지센서를 사용하여 구성함을 특징으로 하는 용기 내 지구 중심을 향하는 진자 위치를 검출하여 기울기를 계산하는 센서 및 측정 방법 및 이를 적용한 장치
제 16 항에 있어서,
스마트폰의 보드에 설치된 지자기센서 혹은 가속도센서 혹은 자이로센서 혹은 조도센서 혹은 온도센서의 정보를 함께 표시하도록 구성함을 특징으로 하는 용기 내 지구 중심을 향하는 진자 위치를 검출하여 기울기를 계산하는 센서 및 측정 방법 및 이를 적용한 장치
제 16 항에 있어서,
스마트폰의 보드에 설치된 무선통신수단 혹은 이동통신수단으로 측정된 센서의 정보를 원격지에 전송하도록 구성함을 특징으로 하는 용기 내 지구 중심을 향하는 진자 위치를 검출하여 기울기를 계산하는 센서 및 측정 방법 및 이를 적용한 장치
물체의 기울기를 측정하는 센서에 있어서,
용기 및 케이스 하단에 진자의 위치를 인식하는 이미지센서 혹은 포토 디텍터(300); 및
진자 중심축을 기준으로 진동하는 진자의 위치 계산을 위한 패턴을 읽어들이기 위한 진자 패턴인식 빛 공급수단(100) 혹은 빛을 발하는 소자(200); 및
이미지센서 혹은 포토 디텍터(300)로 진자의 위치 계산을 위해 캡쳐된 영상에서 패턴 혹은 빛을 발하는 소자(200) 위치를 검출하는 영상 및 중앙처리 수단(400); 및
진자거리 L과 X축 기울어진 거리(x) 및 Y축 기울어진 거리(y)를 기준으로 기울기를 삼각함수로 계산(500)하여
X축 및 Y축 기울기를 계산함을 특징으로 하는 용기 내 지구 중심을 향하는 진자 위치를 검출하여 기울기를 계산하는 방법 및 이를 적용한 센서와 장치