1. 수평센서
수평을 찾는 센서에는 여러 가지가 있으며 방법 또한 다양하다. 모든 수평센서가 가지는 문제점 중에
서 특히 중요한 부분은 기계적인 움직임에서 오는 저항 성분인 토크(torque)의 마찰계수(Coefficient of
resistance)를 최소화하는 일과 움직인 거리를 어떠한 방법으로 전기적으로 변환하는가가 과제이며 그
두 가지 문제가 수평센서의 오차를 나타내는 핵심 요소이다.
마찰 토크가 최소화되고 전기적인 변환에 있어서 외율(distortion factor characteristic)을 0.005%인
오차를 가진 광 변환소자를 사용하고 측정에 의한 필름을 비선형으로 보완을 하면 완벽하게 오차를
최소화 할 수가 있게 된다.
본 센서의 특징 중 그 두 가지를 설명한다.
1) 토크(Torque)마찰 계수를 줄이기 위한 방법
본 센서의 핵심은 Torque에 있으며 마찰계수를 최소화하기 위한 첨단의 정밀공법을 사용하였으며 미
세한 움직임의 전기적 변환은 움직인 거리의 확대법을 사용하여 전체적인 오차를 줄이는 법이 특허의
핵심이다.
회전축의 접촉저항을 줄이기 위해 첨단(尖端) 공법을 사용하고 부력의 힘을 크게 하기 위한 sensor
oill에 비중을 높이는 법을 강화하였으며 그로 인한 효과는 토크 마찰계수를 상쇄시키는데 기여하였다.
이러 했을 때의 정밀오차는 5/1000 도 까지 도달할 수 있게되나, 통상적으로는 1/10 도에서 범용의 상
품이 만들어지며 전문적인 용도의 센서는 통상적으로 5/100 도를 기준으로 생산을 하며 그 이상의 더
욱 정밀한 오차는 여러 가지 환경적 요인과 재료의 연구가 수반돼야 함을 과제로 남고있으나 앞으로
점진적인 연구로 세계최고의 수평센서를 만드는데 기술력과 두뇌를 결집할 것이다.
2) 미세한 움직임의 거리를 전기적으로 변환하기 위한 방법
움직임의 거리를 알기 위해 원형의 필름을 사용하는데 축의 움직임은 원의 반지름에 비례하여 확대된
다. 그 확대되는 원의 가장자리 면에 필름을 장착하여 움직인 거리를 확대하고 광원의 세기로 다시 한
번 증폭을 한 후 전기적으로 변환을 거치는 방식으로 만들어진다. 이러한 방법을 택했을 때는 넓은 범
위의 수평각을 감시할 수가 있게 되나 그 또한 구조적 문제로 인하여 좌측 100 도, 우측 100 도 정도
전 범위 200 도 사이를 표현할 수 있도록 1차 시제품은 만들어진다.
모든 과정이 미세한 공정을 거치게 되나 전체적으로 쉽게 조립이 될 수 있도록 설계가 진행되었으며
완전한 밀봉의 형태를 유지하여 내부 밀봉된 sensor oill에 의해 기압과 온도, 진동으로부터 거의 완벽
하도록 만들어진다. 진동의 가속도 압력(Vibration, Shock)은 Vibration이 7G's 까지 견딜 수 있도록
했으며, Shock 압력은 거의 100G's 까지 도달 될 수 있도록 sensor oill이 채용된다.
구조적으로 최소의 부품을 채용하고 완전 밀봉형태를 취하므로 인하여 수명은 반 영구적인 부품이 되
어 시멘트의 매설작업에도 영구적으로 견딜 수 있도록 구조와 메커니즘이 연구되었다.
3) 수평센서의 구조 및 원리
중심축에 빛의 슬릿을 만든 원형필름과
부표(또는 무게추)를 장착하고 ⇒ 1축 수평센서
중심축이 회전할 수 있도록 축 끝을
첨단으로 하여 직각 교차토록 고정
↓ ↓
원형필름을 다양한 모양으로 슬릿하여 1축 수평센서와 동일한 원리를
(명암을 주어) 원하는 각의 분해에 사용 서로 수직으로 교차하게 설치하여
↓ 두 방향의 각도를 동시에 측정
원형필름의 슬릿 부분이 있는 곳에
포터 카플러와 광원을, 필름을
중심으로 서로 마주보게 케이스면에
고정
↓
필름에 고정된 부표(또는 무게추)가
수평면에 항상 수직으로 움직이도록
구성(부표는 부력이 작용 무게추는
중력이 작용)
↓ ↓
미세진동에서 반응을 감쇄키 위하여 2축 수평센서
투명한 액상의 물질로 채우고 밀봉
↓
바닥면의 경사각에 따라 원형필름이
회전하게 되고, 이에 따라 슬릿에 의한
광원의 강도를 변하게 하므로 이를
측정하여 각도의 기울임을 연산
조 립 도 no.1
2. 기울기 모듈
수평센서에서 출력되는 전압을 A/D 변환을 하여 디지털 LCD 표시창에 표현을 하도록 한
전자 부품이다. 통상적인 변환에서 90도(좌우180도)를 표현하기 위해서 A/D 변환 스탭은
0.1도 표현에서는 900(90도)스탭 정도가 필요하여 9비트의 분해능으로도 충분하나 내장된
A/D 변환기는 12비트를 기본으로 하여 ASIC 설계를 하고 단일 CHIP으로 구성하였으며 요
구에 의해 외형의 크기를 다양하게 표현할 수 있도록 LCD 표시창을 만든다.
전자 제품군에서 전자제품 설치를 할 때, 기계설치에 부착, 선반, 설비분야의 설계과정에서
필수로 되는 수평센서의 채용에서 사용될 수 있도록 최적의 설계를 수반한다.
실용신안 등록 출원 제품이며 디지털 표시창을 가지고 있으며 한번에 전체의 기울인 위치를
확인 가능하도록 숫자와 그림이 동시에 표현된다. 소형으로 된 모듈로서 전자제품을 만들
때 부품으로서 필요하며 부착용으로 항상 확인해야 하는 제품군에 필요한 모듈이며 가격이
파격적으로 저렴하다.
수요를 나열해본다.
원심분리기가 설치되는 곳(의료, 연구소, 분석학, 생물, 대학 ..), 그 외 중요한 고가 정밀 의
료장비, 중공업에서 정밀 기계류, 선박건조에 로봇들, 자동차를 조정하는 기계류, 유리가공에
서의 선반, 정밀 디지탈 저울, 자동 페인팅 로봇류, 반도체 공정에 있어서 외이퍼 가공, 자동
포장 기기 중 다수, 세탁기류, 냉장고류, 자판기류, 가스레인지류, 사진촬영, 기계류 선반, ...
특히 세탁기와 원심분리기의 설치는 수평이 중요한 위치를 차지한다. 수평으로 설치가 안되
었을 경우 세탁과 탈수의 원심력에 의해 심한 고장의 원인이 된다. 기존의 방법은 고전적인
수평을 찾는 물방울 수평기가 설치된 것들이 있으나 그러한 것은 그 수평기를 부착하기가
용이치 않고 곡선으로 되어있는 현재의 제품군에서는 더욱 부착과 디자인에 문제가 있게 된
다. 수평을 확인하는 방법 역시 용이치가 않으며 정밀도에서도 현저히 떨어진다.
냉장고인 경우 압축기의 진동을 최소로 하고 원활한 압축기의 가동을 위하여 수평으로의 설
치는 필수이며, 냉장고의 문을 열고 닫는 반복적인 일상에서의 수평은 반드시 필수이다.
본 모듈은 디지털 표시가 되도록 되어 있으며 부착하는데 있어서 수평을 확인하기 위하여
수평으로 부착할 필요가 없고 아무 위치나 편리한대로 부착을 하여도 자동으로 수평을 표시
하는 특징을 가진 모듈이다. 그러기 때문에 디자인상에 문제를 야기하지 않으며 확인 창 역
시 가장 보기가 좋은 위치의 설치가 가능하다.
특히 표시 창은 숫자적인 각도의 표시도 있지만 그림으로 표현되는 앞뒤 좌우의 기울인 위
치가 표시되어 있어서 기울임을 확인하는데 신속하다.
세계적으로도 수평 상태를 디지털로 표현하는 기기를 부착한 전자제품, 혹은 일반제품은 없
기 때문에 본 모듈을 부착한다면 세계적으로 한발 앞선 제품이 될 수 있으며, 특별한 상품
이 될 수 있다.
3. 기울기계
각도 측정 계측기(기울기 측정기)는, 소형이면서 넓은 폭 레인지의 수직 수평 각도센서가 고
가이며 사용하는데 어려움이 많아 세계적으로 소형인 제품은 없는 것으로 조사되고 있다.
기존의 제품으로는, 다만 부피가 크고 사용이 용이치 않은 장비로서, 거의 외국제품이 건설
현장에 일부 사용이 되고 있으며 건물 혹은 건축물의 진단 용역회사에서 소수 사용 할뿐,
고가이며 사용이 복잡하고 부피가 커서 일반적으로는 이용되지 못하고 있다.
다음과 같은 장점을 지니고 있다.
① 가격이 저렴하고,
② 사용이 쉽고, (X, Y, 축의 각을 숫자와 그림으로 디지털 표시)
③ 각도의 응용이 용이하고, (상대각과 절대각을 표현)
④ 휴대용으로 소형이며,
⑤ 일반적인 작업에 용이하고,
⑥ 전문적인 측정에도 강하고,
⑦ 장시간의 데이터 수집을 전송할 수 있으며,
⑧ 토목, 건축, 실내장식, 기계분야, 설비, 설치분야에 필수품이며,
⑨ 시장성이 넓은 부분에 걸쳐 있다.
⑩ 세계적으로 특화된 상품이다.
6. 제품이 가지는 효과
A) 센서 및 모듈
상기와 같은 자금에 의해서 수직 및 각도 센서를 완성하여 생산을 하였을 때는 수입의 대체
효과가 년간 40 억(센서협회 자료)이 되며, 센서 수출이라는 첨단수출 고지를 확보할 수가
있으며 기존의 수입센서는 절대각에 대한 변위 각도의 범위가 작으나 본 센서는 변위각이
크고 정밀하여 새로운 제품의 응용에 기여할 것이며 가격이 저렴하여 수입품을 대체할 수가
있다.
본 센서는 2가지 타입이 있다.
첫째
미세한 가속도를 인식하는 센서 타입이다. 컴퓨터에 의해 미세가속도를 검출할 수가 있어서
무인으로 제어되는 로봇 혹은 정밀기기의 자세제어, 무인 헬기, 로봇축구, 무인라인기, 차량
가속에 대한 주의신호, 차량전복 예측기, 등 여러 방면에 응용이 가능하다.
둘째
순수 경사센서이다. 진동, 가속, 감속에 강하여 순수한 기계류의 각도유지 감시, 토목, 목공,
실내장식, 설치, 설비, 건축물의 장시간 각도감시(건물, 교량, 터널..), 각도측정기기, 각도제어
기기, 차량주행만으로 도로의 경사를 전구간 측정하는 도로경사측정기기, 로봇, 군사, 항공,
선박, 우주선, 인체감각기관(세반고리관)과 유사한 행위의 기기, 등에 유용하다.
응용의 예
본 센서의 두 가지 타입을 결합 응용하면 무인 헬기의 공중정지 기능인 호버링을 자동으로
할 수 있게 된다. 이 자동호버링의 기능은 세계적으로 성공한 경우가 없는 것으로 알고 있
어서 이 자동호버링이 성공하면 무궁무진한 응용의 범위가 있으며 세계적으로 기계제어의
기술력을 발휘할 수가 있다. 무인 촬영, 군사목적의 ..., 인명구조, 농업, 수산, 산불방제용, ....
무인헬기의 제어기술은,
정부산하 산자부에서 지정된 첨단 국책사업으로서 군관민이 합동으로 연구를 목적으로 지원
하고 있으나 요원한 상태이다.
(http://www.mocie.go.kr/cgib/jngchk/mingun/min_s.html)
본 센서로 무인 헬기제어기술의 응용은 차후에 기관 혹은 대학에서 연구 해야할 과제이며
논문이다.
B) 기울기 측정계
각도 측정 계측기(기울기 측정기)는, 소형이면서 넓은 폭 레인지의 수평각도센서가 없기 때
문에 만드는데 어려움이 많아 세계적으로 소형인 제품은 없다고 본다. 다만 부피가 크고 사
용이 용이치 않은 장비로서, 거의 외국제품이 건설현장에 일부 사용이 되고 있으며 건물 혹
은 건축물의 진단 용역회사에서 소수 사용할 뿐, 일반적으로는 고가이며 사용이 복잡하고
부피가 커서 이용되지 못하고 있다.
본 센서는 소형이면서 넓은 폭의 레인지를 가지고 있어서 경사측정 혹은 절대각과 상대각의
측정을 자유자제로 할 수 있어서 디지털로 표현하는 측정 기기를 만드는데 적합하며 초정밀
센서이나 저가에 제품을 출시할 수 있는 설계로서 휴대용이며 가격이 저렴하여 일반적으로
쉽게 사용할 수가 있으며 전 세계적으로 첨단제품의 수출이 가능하다.