KR101855427B1 - 근접 센서를 이용한 물체 검출 시스템 - Google Patents

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김현수
윤경섭
박영배
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Abstract

본 발명은 근접 센서를 이용한 물체 검출 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일실시 예에 따른 근접 센서를 이용한 물체 검출 시스템은 물체의 접근으로 인한 근접 센서의 특성 임피던스의 변화량 중에서 정전용량값 또는 유도용량값의 변화를 통해 물체를 검출함으로써, 미세한 변화의 감지가 가능해지고 근접 센서의 감지 거리가 확장되는 효과가 있다.

Description

근접 센서를 이용한 물체 검출 시스템{SYSTEM FOR DETECTING USING PROXIMITY SENSOR}
본 발명은 물체를 검출하기 위한 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 물체의 접근으로 인한 근접 센서의 특성 임피던스의 변화량 중에서 정전용량값 또는 유도용량값의 변화를 읽어 물체의 감지 여부를 판단하여 미세한 변화의 감지가 가능해지고 근접 센서의 감지 거리를 확장하기 위한 근접 센서를 이용한 물체 검출 시스템에 관한 것이다.
근접 센서는 접근하는 물체의 유무를 기계적 접촉 없이 검출하는 센서로서, 이를 이용한 물체 감지 방법은 주파수 변화를 전압의 변화로 나타내고, 변화된 전압을 읽는 방식이 있다.
또한, 정전 용량의 변화를 주파수의 변화로 나타내고, 변화된 주파수를 읽는 정전 용량 감지 방법이 있다.
근접 센서의 정전 용량 변화를 감지하는 방법은 국부 발진 주파수와 근접 센서의 정전 용량에 의해 변화되는 주파수를 믹싱하면 두 주파수의 차가 변화하므로 주파수의 변화를 읽는 방식이다.
즉 종래기술에 따른 근접 센서를 이용한 물체 감지 방법은 임피던스의 변화를 이용하거나 정전 용량의 변화에 따른 주파수 변화를 이용하여 물체를 감지하고 있다.
따라서 종래기술에 따른 근접 센서를 이용한 물체 감지 방법은 임피던스가 변화되지 않았음에도 주파수의 변화가 가능하므로 사용자가 접근한 것으로 판단하여 오작동할 수 있는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2010-0100773호
본 발명의 목적은 물체의 접근으로 인한 근접 센서의 특성 임피던스의 변화량 중에서 정전용량값 또는 유도용량값의 변화를 통해 물체를 용이하게 검출할 수 있도록 한 근접 센서를 이용한 물체 검출 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여,
본 발명의 일실시 예에 따른 근접 센서를 이용한 물체 검출 시스템은 물체가 근접하면 특성 임피던스가 변하는 근접 센서;
위상차 검출을 위한 기준 신호를 생성하여 상기 근접 센서로 전송하고, 근접 센서가 전기적으로 특성 임피던스를 가지도록 신호를 공급하며, 일정한 주기를 가지는 교류신호를 발생시키는 기준 주파수 발생부;
상기 기준 주파수 발생부로부터 위상차 검출을 위한 기준 신호를 입력받고, 근접 센서의 특성 임피던스의 변화로 얻어진 감지 신호를 입력받으며, 상기 기준 신호와 상기 감지 신호를 비교하여 위상차나 변화된 주파수를 검출하는 위상차 검출 및 비교부;
상기 위상차 검출 및 비교부의 출력 신호를 디지털 출력 신호로 변환하는 신호 처리부; 및
상기 신호 처리부의 디지털 출력 신호를 입력받고, 물체의 접근으로 인한 근접 센서의 특성 임피던스의 변화량 중에서 정전용량(C)값 또는 유도용량(L)값의 변화를 읽어 물체의 감지 여부를 판단하는 중앙 처리부;
를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 근접 센서를 이용한 물체 검출 시스템에 있어서, 상기 중앙 처리부는 물체가 근접 센서에 근접하지 않은 상태에서 기설정된 연산 프로그램에 따라 기준 주파수 신호에 반응하는 유도용량값과 정전용량값을 하기의 [수학식 1]을 참조하여 계산하고, 임의의 정전용량값 또는 유도용량값을 고정하여 유도용량값 또는 정전용량값을 계산하고,
고정된 기준 주파수 신호의 위상과 물체가 근접하여 변화되는 주파수 신호의 위상을 비교하여 주파수 신호의 변화량을 계산하며, 상기 변화된 주파수 신호를 하기의 [수학식 1]에 대입하여 변화되는 유도용량값 또는 정전용량값을 계산하는 연산부;
를 더 포함할 수 있다.
[수학식 1]
Z = R + jX = R + (XL-XC)
여기서, XL = j2πfL, XC = 1/j2πfC, f는 기준 주파수임.
또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 근접 센서를 이용한 물체 검출 시스템에 있어서, 상기 중앙 처리부는 연산부에서 계산된 유도용량값 또는 정전용량값의 변화량을 기초로 변화량에 대응하는 감지 거리를 판단하고, 감지 거리에 따라 근접 센서에 물체의 감지 거리를 판단하며, 감지 거리가 기설정된 거리값 이내라고 판단하는 경우, 감지 신호를 생성하여 연결된 주변 장치에 전송하도록 제어하는 제어부;
를 더 포함할 수 있다.
이러한 해결 수단은 첨부된 도면에 의거한 다음의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용으로부터 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 일실시 예에 따르면, 물체의 접근으로 인한 근접 센서의 특성 임피던스의 변화량 중에서 정전용량값 또는 유도용량값의 변화를 읽어 물체의 감지 여부를 판단함으로써, 미세한 변화의 감지가 가능해지고 근접 센서의 감지 거리가 용이하게 확장되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 근접 센서를 이용한 물체 검출 시스템의 구성을 나타내 보인 블록도.
본 발명의 특이한 관점, 특정한 기술적 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 구체적인 내용과 일실시 예로부터 더욱 명백해 질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 일실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 본 발명의 일실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1에서 보듯이, 본 발명의 일실시 예에 따른 근접 센서를 이용한 물체 검출 시스템(100)은 근접 센서(110), 기준 주파수 발생부(120), 위상차 검출 및 비교부(130), 신호 처리부(140) 및 중앙 처리부(150)를 포함한다.
근접 센서(110)는 고유의 저항, 정전용량(이하 'C값'이라 한다), 유도용량(이하 'L값'이라 한다)을 가지는 전도체로 구성된 장치로 일정한 주기를 갖는 교류 신호를 제공하면 주기적으로 특성 임피던스를 가지게 되며, 물체가 근접하는 경우 특성 임피던스가 변하는 장치이다.
근접 센서(110)는 교류 신호(주파수 성분이 포함된 신호)를 인가하면, 주파수에 반응하는 L값과 C값을 가지게 되므로 고유의 특성 임피던스를 생성한다. 다시 말해, 근접 센서(110)는 기준 주파수 발생부(120)에서 100MHz의 신호를 발생시키고 있는 상태에서 주파수에 반응하는 L값과 C값을 추출하여 기준값으로 설정하게 된다.
기준 주파수 발생부(120)는 위상차 검출을 위한 기준 신호를 생성하여 근접 센서(110)와 위상차 검출 및 비교부(130)로 전송하고, 이로 인하여 근접 센서(110)가 전기적으로 특성 임피던스를 가지도록 안정된 신호를 공급하며, 일정한 주기를 가지는 교류신호 발생장치이다.
기준 주파수 발생부(120)는 근접 센서(110)의 감지 동작의 정확성과 안전성을 확보하기 위하여 주기가 서로 다른 2 내지 3개의 주파수를 발생시켜 근접 센서(110)로 공급하여 근접 센서(110)의 물리적인 길이와 주파수 파장의 일치로 인하여 임피던스 특성이 0(Zero)이 되는 현상을 방지한다.
기준 주파수 발생부(120)는 필요에 따라 복수의 주파수 발생도 가능하도록 주파수 발생모듈(122)과, 이를 제어하는 제어회로(124)로 구성된다.
위상차 검출 및 비교부(130)는 기준 주파수 발생부(120)로부터 기준 신호를 입력받고, 근접 센서(110)의 특성 임피던스의 변화로 얻어진 감지 신호를 입력받으며, 기준 신호와 감지 신호를 비교하여 위상차나 변화된 주파수를 검출한다.
신호 처리부(140)는 위상차 검출 및 비교부(130)의 후단에 설치되어 상기 위상차 검출 및 비교부(130)의 출력 신호를 소정의 증폭 비율로 증폭하는 기능을 수행하는 증폭기(142)와, 상기 증폭기(142)의 후단에 설치되고, 상기 증폭기(142)의 증폭된 출력 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환부(144)를 포함한다.
중앙 처리부(MCU)(150)는 신호 처리부(140)의 디지털 출력 신호를 입력받는 연산부(152)와, 상기 연산부(152)에서 연산된 결과값을 수신하는 제어부(154)를 포함한다.
연산부(152)는 상기 신호 처리부(140)의 출력 신호를 입력받아 기설정된 연산 프로그램에 따라 연산 동작을 수행하고, 연산된 결과값을 제어부(154)로 전송한다.
제어부(154)는 연산부(152)에서 계산된 결과값으로 정전용량값과 유도용량값을 판단하여 다른 기기와 연동할 수 있는 감지 신호를 생성하여 출력한다.
제어부(154)는 외부의 주변 장치와 전기적으로 연결되도록 입력단자를 구성하며, 기준 주파수 발생부(120)에 전기적으로 연결되어 주파수 신호의 발생을 제어할 수 있다.
제어부(154)는 기준 주파수인 100MHz의 신호가 발생하지 않는 경우, 기준 주파수의 범위로 해당 주파수 신호를 조절하도록 제어할 수 있다.
연산부(152)의 연산 동작의 수행을 설명하면 다음과 같다.
연산부(152)는 고정된 기준 주파수인 100MHz을 사용하고, 기설정된 연산 프로그램에 따라 임의의 L값을 고정하여 C값을 측정하고, 임의의 C값을 고정하여 L값을 계산한다.
연산부(152)는 물체가 근접 센서(110)에 근접하지 않은 상태에서 기설정된 연산 프로그램에 따라 기준 주파수 신호에 반응하는 L값과 C값을 하기의 [수학식 1]을 참조하여 계산한다. 여기서, 기설정된 연산 프로그램은 기준 주파수와 임의의 L값 또는 C값을 하기의 [수학식 1]에 대입하고, 고정된 기준 주파수 신호의 위상과 물체가 근접하여 변화되는 주파수 신호의 위상을 비교하여 주파수 신호의 변화량을 계산하며, 변화된 주파수 신호를 하기의 [수학식 1]에 대입하여 변화되는 L값 또는 C값을 계산하도록 프로그램화되어 있다.
[수학식 1]
Z = R + jX = R + (XL-XC)
여기서, XL = j2πfL, XC = 1/j2πfC, f는 기준 주파수임.
전술한 [수학식 1]은 다음과 같이 참고식으로 표현될 수 있다.
Figure 112017119179842-pat00002
연산부(152)는 신호 처리부(140)의 출력 신호를 입력받아 기설정된 연산 프로그램에 따라 연산 동작을 수행하여 변화된 주파수 신호를 전술한 [수학식 1]에 대입하여 L값 또는 C값의 변화량을 계산하며, 계산된 L값 또는 C값의 변화량을 제어부(154)로 전송한다.
제어부(154)는 연산부(152)에서 계산된 L값 또는 C값의 변화량을 기초로 변화량에 대응하는 감지 거리를 판단하고, 감지 거리에 따라 근접 센서(110)에 물체의 감지 거리를 판단하며, 감지 거리가 기설정된 거리값 이내라고 판단하는 경우, 감지 신호를 생성하여 연결된 주변 장치에 전송하도록 제어한다.
예컨대, 제어부(154)는 연산부(152)에서 계산된 L값 또는 C값의 변화량에 따라 3cm 이내의 감지 거리인지, 10cm 이내의 감지 거리인지 L값 또는 C값의 변화량에 대응하는 감지 거리의 기설정된 매칭값을 이미 저장하고 있다.
제어부(154)는 계산된 L값 또는 C값의 변화량를 물체가 접근한 근접 거리로 나타낼 수 있는 것이다.
제어부(154)는 외부의 주변 장치와 전기적으로 연결되고, 생성된 감지 신호를 주변 장치로 전송하도록 제어한다.
예를 들면, 본 발명의 물체 검출 시스템은 차량의 파워윈도우에 장착되는 경우, 창문이 닫힐 때, 물체가 근접했음을 감지하고, 창문을 다시 열기 위해 파워윈도우의 제어장치에 감지 신호를 전송한다.
따라서 본 발명의 일실시 예에 따른 근접 센서를 이용한 물체 검출 시스템(100)은 임피던스 측정법을 통하여 정전용량과 유도용량의 크기를 나타내는 p(pico, 10-12), n(nano, 10-9) 정도의 작은 값까지 표현할 수 있으므로 미세한 변화의 감지가 가능해지고 근접 센서(110)의 감지 거리를 용이하게 확장할 수 있다.
이상 본 발명을 일실시 예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 근접 센서를 이용한 물체 검출 시스템은 이에 한정되지 않는다. 그리고 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다", 또는 "가지다", 등의 용어는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 해당 구성요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 하며, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
또한, 이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능하다. 따라서, 본 발명에 개시된 일실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 일실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 물체 검출 시스템
110: 근접 센서
120: 기준 주파수 발생부
122: 주파수 발생 모듈
124: 제어회로
130: 위상차 검출 및 비교부
140: 신호 처리부
142: 증폭기
144: 아날로그/디지털 변환부
150: 중앙 처리부
152: 연산부
154: 제어부

Claims (5)

  1. 물체가 근접하면 특성 임피던스가 변하는 근접 센서;
    위상차 검출을 위한 기준 신호를 생성하여 상기 근접 센서로 전송하고, 근접 센서가 전기적으로 특성 임피던스를 가지도록 신호를 공급하며, 일정한 주기를 가지는 교류신호를 발생시키는 기준 주파수 발생부;
    상기 기준 주파수 발생부로부터 위상차 검출을 위한 기준 신호를 입력받고, 근접 센서의 특성 임피던스의 변화로 얻어진 감지 신호를 입력받으며, 상기 기준 신호와 상기 감지 신호를 비교하여 위상차나 변화된 주파수를 검출하는 위상차 검출 및 비교부;
    상기 위상차 검출 및 비교부의 출력 신호를 디지털 출력 신호로 변환하는 신호 처리부; 및
    상기 신호 처리부의 디지털 출력 신호를 입력받고, 물체의 접근으로 인한 근접 센서의 특성 임피던스의 변화량 중에서 C값 또는 L값의 변화를 읽어 물체의 감지 여부를 판단하는 중앙 처리부;
    를 포함하며,
    상기 중앙 처리부는 물체가 근접 센서에 근접하지 않은 상태에서 기설정된 연산 프로그램에 따라 기준 주파수 신호에 반응하는 L값과 C값을 [수학식 1]을 참조하여 계산하고, 임의의 C값 또는 L값을 고정하여 L값 또는 C값을 계산하고,
    고정된 기준 주파수 신호의 위상과 물체가 근접하여 변화되는 주파수 신호의 위상을 비교하여 주파수 신호의 변화량을 계산하며, 상기 변화된 주파수 신호를 [수학식 1]에 대입하여 변화되는 L값 또는 C값을 계산하는 연산부;
    를 더 포함하는 근접 센서를 이용한 물체 검출 시스템.
    [수학식 1]
    Z = R + jX = R + (XL-XC)
    여기서, XL = j2πfL, XC = 1/j2πfC, f는 기준 주파수임.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 중앙 처리부는 연산부에서 계산된 L값 또는 C값의 변화량을 기초로 변화량에 대응하는 감지 거리를 판단하고, 감지 거리에 따라 근접 센서에 물체의 감지 거리를 판단하며, 감지 거리가 기설정된 거리값 이내라고 판단하는 경우, 감지 신호를 생성하여 연결된 주변 장치에 전송하도록 제어하는 제어부;
    를 더 포함하는 근접 센서를 이용한 물체 검출 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는 외부의 주변 장치와 전기적으로 연결되도록 입력단자를 구성하며, 기준 주파수 발생부에 전기적으로 연결되어 기준 주파수인 100MHz의 신호가 발생하지 않는 경우, 상기 기준 주파수의 범위로 해당 주파수 신호를 조절하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 근접 센서를 이용한 물체 검출 시스템.
  5. 삭제
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