승강기 센서 응용 관련 특허

나날이 발전하는 승강기 기술

 

승강기 센서 응용 관련 특허

 

최근 센서에 대한 관심은 산업현장에서 급속히 높아지고 있다. 기계를 제어함에 있어 없어서는 안 될 중요한 부품으로서 승강기에서는 외부환경을 인지하고 전달하는 역할을 한다. 승강기에 적용되는 센서들의 종류와 원리, 적용 기술을 현재 등록된 특허를 통해 살펴보도록 한다.

글 이상훈(동의과학대학교 교수)

 

 

센서 기술은 반도체 기술의 급속한 진보와 마이크로프로세서(microprocessor)를 기초로 한 정보처리 기술의 발전으로 눈부시게 발전되고 있다. 센서(sensor)란 ‘sense’, ‘느낀다’, ‘지각한다’ 등의 의미를 갖는 라틴어에서 온 말이며, 원래는 인간의 감각작용이라 하는 오감을 가리키는 단어로 널리 사용되고 있었다.

 

사람은 눈, 귀, 코, 피부, 혀에 의해서 빛, 색, 음, 열, 냄새, 맛 등의 자연의 현상을 느끼는 것이 가능하다. 고대인은 이러한 감각 기관에 의해서 자연계의 특성을 이해하고 얻어진 지식으로 자연 현상을 이용하는 기술을 습득해 왔다.

기계 내부의 정보 세계는 여러 가지 정보기기의 하드웨어나 소프트웨어로 구성되는 정보환경을 구성하고 있다. 외부의 세계는 물리적 법칙에 따라서 실제의 현상이 발생하는 물리적 환경이다. 센서는 물리적 환경과 정보 환경을 신호로 연결하는 인터페이스인 것이다.

 

기계 제어에 있어 없어서는 안 될 센서는 사람을 이송하는 승강기에도 없어서는 안 될 필수적인 부품이다.

 

 

 

 

광파장 영역의 광선 감지 후 전기신호 출력, 광센서

광센서란 자외광에서 적외광까지의 광파장 영역의 광선을 감지하고 이것을 전기적인 신호로 출력하는 전자 디바이스의 총칭으로 광을 이용하여 비접촉으로 검출대상물체의 반사，복사，차광 등에 의하여 생기는 수광량의 크고 작은 차이에 의해 대상물의 유무，대소，명암 등을 감지하여 검출한 대상물체의 빛의 반사량과 차광량에 의해 생기는 반사량의 차이를 수광량에 따라 전기신호(접점，스위칭 등)로 내어주는 장치이다.

 

최근에는 광화이버를 이용한 센서도 출현하고 광센서의 다양화가 급속히 진행되고 있는 추세이다. 광센서의 원리에는 광도전효과，광기전력효과, 광전변환효과 등이 그 기본원리로 이용되고 있다.

 

 

 

 

광도전효과형 센서

 

반도체에 빛이 닿으면 자유전자와 자유정공이 증가하고 광량에 비례한 전류의 증가(즉 반도체의 저항변화)가 일어나는 현상(광도전효과)을 이용하는 광센서이다.

광기전력효과형 광센서

대표적인 센서로서 포토다이오드가 그것이다. Si 단결정을 기판으로써 열확산법에 의해 기판과 극성이 다른 불순물을 도포하는 것에 의해 PN접합을 형성한 반도체 디바이스이다.

 

빛이 PN접합에 조사되면 전자·전공쌍이 다수 발생하여 전극 간에 기전력을 발생한다. 이 센서는 인가전압을 필요로 하지 않는다.

광전자방출형 광센서

대표적인 예로 광전자 증배란(PMT)이 있다. 광전음극, 음극，양극으로 구성되어 있고 빛이 광전음극에 입사하면 광전 음극에서는 2차 전자가 방출된다.

 

이 2차전자는 디음의 음극에서 증배되어 최후로 양극에 도달하는 사이에 10만배 이상이나 중폭이 행해진다.

자외선 센서

Si자외선 포토다이오드, 자외선 검지관<UV트론 등이 자외선 센서로서 조도계，분서계 등의 측광이 화학기기에 사용되고 있다.

복합형 센서

발광원으로서 LED와 광센서로서의 포토다이오드, 포토트랜지스터, 광사이리스터를 일체화 한 포토커플러, 포토인터럽터 등을 복합형 광센서라고 부르는 경우가 있다.

 

LED의 고휘도화, 광센서의 저잡음화, IC화가 진행되어 복합형 광센서도 고정밀도, 고성능화를 지향하고 있다.

 

 

[사진 1] 승강기 도어 관련 센서

 

승강기 기술에서 이용되는 광센서

승강기에 있어 광센서를 이용한 부품들은 주로 위치를 판독하기 위해 사용되고 있다. 승강기용 모터의 회전자 위치를 판독할 수 있는 엔코더 중 광학식 엔코더의 경우 복합형 센서 포터 인터럽터를 이용하여 슬롯으로 구성된 회전판의 정보를 판독하여 회전자의 위치를 검출한다.

 

또한 엘리베이터 도어에 물체의 낌 현상을 방지하기 위한 엘리베이터의 도어 엣지 센서도 광센서를 이용하여 물체가 도어에 끼어 있을 경우 이를 검출하여 자동으로 도어를 열어 주는 동작을 하게 된다.

 

 

광센서를 이용한 승강기 특허

‘엘리베이터용의 광센서형 층선택 스위치판 및 이를 이용한 엘리베이터의 층선택 방법(WO2013176406 A1)’은 엘리베이터에서 광센서를 이용해 스위치에 접촉하지 않고 층을 선택할 수 있는 층선택 스위치판과 이를 이용한 층선택 방법에 관한 특허이다.

 

본 발명의 층선택 스위치판은 다수의 버튼들이 행렬형태로 배열된 버튼 어레이를 둘러싸고 스위치판의 바닥면에서 버튼보다 높게 돌출 형성된 돌출 가장자리 [버튼 어레이의 행과 열에 각각 일치되는 위치에서 상기 돌출 가장자리에 설치되어 각각 X축 방향과 Y축 방향의 빔라인을 형성하는 발광소자(X1, X2, … Xn; Y1, Y2, … Yn)와 수광소자(X1', X2', … Xn'; Y1', Y2'… Yn')로 이루어진 광센서 어레이] 및 광센서 어레이에 연결되고 엘리베이터의 승강층을 선택하는 컨트롤러를 제안하였다.

기존의 광센서형 스위치의 경우, 각각의 버튼마다 광센서로서 발광소자와 수광소자를 설치해야 한다. 그런데 고층빌딩일수록 층선택 버튼(스위치)의 개수도 많아지고, 이렇게 되면 각각의 버튼 양쪽에 발광소자와 수광소자를 설치해야만 한다.

 

게다가 전체 스위치판의 면적도 제한적일 수 밖에 없으므로, 광센서를 버튼마다 설치하려면 센서의 개수도 많을 뿐더러, 설치하는데 많은 수고가 필요하다.

 

광센서의 개수가 많을수록 설치작업이 힘들어지고, 제한된 표면적에서 이런 작업은 거의 불가능한 경우도 많을 것이다.

 

또한 센서가 설치된 구멍 안의 바닥면에 층 번호나 기호를 새겨 넣기 때문에, 키가 큰 승객의 경우, 시야각이 방해를 받아 바닥면의 층번호를 제대로 인식하지 못하는 경우가 있다.

 

본래의 광센서 스위치는 승객의 손가락을 버튼에 직접 닿지 않게 하는 위생적 측면이 주목적인데, 이렇게 구멍 안의 바닥에 층번호를 배치하다 보니, 구멍에 먼지나 오물이 쌓이기 쉬워, 오히려 승객의 위생을 해치는 문제도 생기곤 한다. 또한 구멍은 청소하기도 불편하다.

본 특허는 이와 같은 문제점을 감안하여 고안된 것으로 각각의 버튼마다 광센서를 설치하는 대신, 스위치판 가장자리를 따라 발광소자와 수광소자를 설치하여 공간제약 문제와 설치작업의 곤란성 문제를 해결하고자 하였다.

 

본 특허는 또한, 장난으로 여러 층을 동시에 선택할 경우 이를 구분할 수 있는 스위치판을 제공하는 것을 목적으로 한다.

 

 

 

정지상태에서 중력가속도 감지, 가속도센서

가속도센서는 가속도계(Accelerometer)로 말 그대로 가속도를 측정하는 센서이다. 가속도센서가 3축이라 함은 센서가 3차원에서 움직일 때 x축, y축, z축 방향의 가속도를 측정할 수 있다는 것을 의미한다.

 

기본적으로 가속도센서는 정지한 상태에서 중력 가속도를 감지하기 때문에 z축 방향으로 -g 만큼의 값을 출력한다. 그러면 이러한 가속도센서를 이용해서 어떻게 자세, 즉 기울어진 각도를 측정할 수 있을까?

먼저 움직이는 물체와 견고하게 센서가 장착되어 있는 상태에서 센서의 초기 출력은 모두 ‘0’이라고 가정한다. 이 상태에서 물체를 y축 방향으로 45도 기울여 보면, 기울어진 상태에서 z축 방향과 x축 방향으로 동일한 값의 가속도가 측정되며, 아래 그림과 같이 중력방향으로 g가 측정되어야 하므로 0.707g 만큼 z축과 x축 방향으로 값이 출력된다.

 

결과적으로는 z축과 x축 값의 비율의 아크탄젠트 (atan) 결과값이 45도, 즉 기울어진 값을 알 수 있게 된다. 가속도센서를 이용해서 각도를 측정하는 방법은 다음과 같다.

 

하지만 간단한 만큼 문제점도 존재하게 된다. 정지된 상태에서 물체가 움직이기 시작하면 그때 측정되는 값은 기울기를 나타내지 않을 수도 있다.

예를 들어 45도 기울어진 위와 같은 상태에서 오른쪽으로 가속을 해본다고 가정해 보면, x축과 z축에서 측정되는 가속도는 변하게 되고 한쪽 값이 더 커지게 된다.

 

그러면 이 상태에서 아크탄젠트에 대입한다고 하더라도 45도 값은 나오지 않게 된다. 즉 움직임이 생겨서 어느 한 쪽 방향으로 가속도가 생기게 되면 결과적으로 이 값이 중력에 의해 측정되는 가속도값과 구분되지 않는다.

 

 

 

가속도센서를 이용한 승강기 층 운행 정보 알림 표시장치

가속도센서를 이용한 승강기 특허로는 ‘가속도센서를 이용한 승강기 층 운행 정보 알림 표시장치(WO 2011037280 A1)’가 있다. 구체적인 사항은 다음과 같다.

승강기를 구동시키기 위한 기존의 승강기 내부시스템에 전기적으로 연결되거나 접속되지 않은 상태에서 승강기의 현재 층(위치)을 감지 및 연산하여 운행 정보와 비정상 정보 등을 표시 및 안내한다.

통상적으로 고층 건물 내의 이동 수단인 승강기는 각 층의 높이에 대한 위치값과 승강기 이동에 따른 현재 위치를 알 수 있는 층 위치 검출장치가 내부시스템과 전기적으로 연결되어 있어 각 층의 부름(calling)에 응답하여 부름층까지 움직이도록 제어된다.

 

이러한 검출 장치는 주로 기구적인 스위치류 또는 빛의 투과 및 반사를 이용한 광학센서가 주로 사용되며, 각 층을 이동하면서 진행 방향 및 현재 위치를 실시간으로 표시하는 외부 알림장치와 연결되어 사용자에게 승강기의 운행정보를 제공한다.

 

그러나 이와 같은 외부 알림장치는 승강기를 탑승하는 장소에 국한되어 설치되어 있으며, 더욱이 최근 건물의 고층화·대형화에 따라 승강기의 운행거리 및 탑승대기 시간이 늘어나고 있는 추세이다.

따라서, 탑승대기 시간을 아끼기 위해 승강기 외부의 다른 장치 또는 다른 장소(사무실, 집실내 등)에서 현재 승강기의 층 위치 등을 알고자 하는 경우가 있는데, 종래에는 해당 승강기 시스템과 프로토콜을 맞춘 전용의 통신 장비를 이용하여야 했고, 또한 해당 승강기 제조사와의 자료 공개나 기술 협의 등이 별도로 요구되었다.

본 특허의 승강기 층 운행정보 표시장치는 승강기를 구동시키기 위한 내부 시스템에 영향을 주지 않고, 승강기의 현재 층을 감지 및 연산하는 승강기 층 운행정보 알림, 표시장치로서 승강기의 수직 이동에 따른 가속도의 변화를 측정하는 가속도센서, 가속도센서로부터 신호를 검출하는 검출회로 및 신호처리 회로로 구성되어 있다.

 

가속도센서의 신호를 이용하여 현재 승강기의 위치를 추종하고 이를 다양한 통신 수단을 통해 사용자에게 알려준다.

 

 

 

센서, 승강기의 오감이 되다

승강기는 사람들을 수직으로 이송하는 교통수단으로서 다양한 외부의 정보를 검출하여 승강기의 내외부 환경의 정보를 인지하고 사람들이 안전하게 이용할 수 있도록 안전장치들을 제어한다.

 

이렇듯 승강기의 유기적 동작을 책임지는 승강기에 사용되는 센서들은 이용객의 좀 더 편리하고 안전한 이용을 위해 반도체 기술과 MEMS기술(미세전자제어기술)이 융합되어 더 많은 자연의 물리량을 정확히 계측하고 있으며, 이러한 센서 기술의 발전은 승강기의 지능을 더 높여주고 있다.