JP5123684B2

JP5123684B2 - 降霜検知装置

Info

Publication number: JP5123684B2
Application number: JP2008028366A
Authority: JP
Inventors: 浩助登尾
Original assignee: MEIJI UNIVERSITY LEGAL PERSON
Current assignee: MEIJI UNIVERSITY LEGAL PERSON
Priority date: 2008-02-08
Filing date: 2008-02-08
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2028-02-08
Also published as: JP2009186387A

Description

本発明は、検知部の比誘電率変化から降霜状態を検出する降霜検知装置に関する。

従来、結露及び降霜を検知する手段として、振動式や光学式で検知を行う装置が知られている。

振動式の装置は、振動子の表面の結露、または降霜による振動子の共振周波数の変化や振幅の変化で、振動子の表面の結露、または降霜状態を判定する。

光学式の装置は、発光素子、受光素子、及び反射面を有し、受光素子に入射する光量の変化で反射面の表面の結露、または降霜状態を判定する。

しかし、振動式の装置は、振動子上へのゴミ、その他物質の付着あるいは内外部から加えられる振動の影響で容易に誤動作をする問題があった。また、光学式の装置は、小型化が困難で製造コストも高いという問題があった。

これに対し、安価で検知精度の優れた結露及び降霜状態の検知装置として、一対の感温抵抗素子と発熱電流源を備え、感温抵抗素子の温度の変化で、結露及び降霜状態を判定する装置（特許文献１）が開発されている。しかし、この装置は、感温抵抗素子の温度のみで結露、降霜状態を判定しているため、結露状態と降霜状態との明確な区別をすることが困難であった。

また、容量結合された電極対を高分子皮膜で覆うことにより電極対間の水滴による短絡を防止すると共に、高分子皮膜に付着した水分付着量の変化を比誘電率の変化で検出するようにした結露状態検出センサも知られている（特許文献２）。

しかし、このセンサは、高分子皮膜が吸水性又は親水性を有することから水分吸収により電極対の静電容量を大きく変化させるものであり、高分子皮膜内に水分吸収されない降霜状態の検出は困難である。

さらにまた、高屈折率薄膜が発光素子の発光光を反射し、その反射光を受光素子で検知し、一定の反射率以下になる時点または反射率が急激に低下する時点を着霜時と判定する着霜検知素子も知られている（特許文献３）。

しかし、この素子は、反射率を測定することから検知精度が高くない。

このように、従来の技術では、安価で結露状態と降霜状態とを明確に判定することが可能であり、検知精度の優れた検知装置を提供する事が困難であった。
特開平２−１１５６７８号公報特開２００６−２６６８０９号公報特開平１１−２８１５６８号公報

本発明は、安価で検知精度の優れた降霜検知装置を提供することを目的とする。

この発明の一態様による降霜検知装置は、基板上に電極が所定のパターンで形成された検知部と、前記検知部の前記電極に接続されてＴＤＲ（ＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ：時間領域反射）法によって前記検知部の比誘電率を求める比誘電率測定器と、前記比誘電率測定器で求められた前記比誘電率に基づいて降霜状態を判定する判定装置とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、安価で検知精度の優れた降霜検知装置を提供することができる。

次に、本発明の実施の形態に係る降霜検知装置を図面に基づいて説明する。

[本実施の形態の構成]
図１は、本発明の一実施の形態に係る降霜検知装置１０の構成を示すブロック図である。

本実施の形態に係る降霜検知装置１０は、降霜状態を検出すべき環境に設置される検知部２０と、この検知部２０と接続されてＴＤＲ（ＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）法によって検知部２０の比誘電率を測定する比誘電率測定器３０と、検知部２０の温度を検出する温度計４０と、比誘電率測定器３０で検出された比誘電率及び温度計４０で検出された温度に基づいて降霜状態を判定する判定装置５０とを備えている。

検知部２０は、例えば、板状又はシート状の絶縁性の基板２１の上に第１の電極２２及び第２の電極２３からなる電極対２４をパターン形成したものである。電極２２、２３の長さは、各々総延長で２ｃｍ以上であることが望ましく、より好ましくは総延長が４ｃｍ以上である。少ない面積でも電極対２４の総延長を長くするため、電極パターンは、例えば図１に示すような渦巻き状、又は図２に示すようなジグザグパターンが望ましい。

また、図１及び図２に示す同軸ケーブル６０の内部導体に接続される電極の長さは、同軸ケーブル６０の外部導体に接続される電極の長さよりも短い方が好ましい。

比誘電率測定器３０は、高速パルス信号を発生させるパルス発生器３１と、パルス信号及びその検知部２０からの反射信号を観測するオシロスコープ等の波形解析器３２とにより構成され、パルス発生器３１と波形解析器３２とは同期を取るために接続される。また、パルス発生器３１及び波形解析器３２は入出力端子３３に接続される。

検知部２０内に形成される電極対２４と比誘電率測定器３０に形成される入出力端子３３とは、同軸ケーブル６０により接続される。

パルス発生器３１により生成されたパルス信号１００は検知部２０に出力され、検知部２０内の電極対２４の終端部２４Ａで反射される。波形解析器３２は、パルス発生器３１から出力されるパルス信号（以下入射信号という場合がある）１００及び終端部２４Ａで反射されるパルス信号（以下反射信号１０１）を観測する。

温度計４０は、熱電対４１に生じる熱起電力により温度を測定する温度計であり、熱電対４１によって検知部２０を構成する基板２１と接続される。

判定装置５０は、比誘電率測定器３０及び温度計４０と接続され、比誘電率測定器３０で測定された電極対２４の比誘電率データと、温度計４０で測定された検知部２０の温度データとを基に検知部２０の状態（乾燥、露、霜）を判定する。

[本実施の形態の動作]
次に、本実施の形態に係る降霜検知装置１０の比誘電率測定方法について図１を用いて説明する。本実施の形態に係る降霜検知装置１０は、ＴＤＲ法を用いて検知部２０の比誘電率を測定する。

ＴＤＲ法とは、伝送経路（基板、ケーブル、プローブ等）の特性インピーダンスや伝播速度等を測定する方法である。パルス発生器３１から立ち上がり時間が一定のパルス信号を伝送経路に送り込み、そのパルス信号の入射波と反射波を波形解析器３２で観測する。そして、パルス信号の入射波及び反射波の振幅の割合から、伝送経路の特性インピーダンスや伝播速度等を算出する。

なお、伝送経路の微小区間の特性インピーダンスと伝播速度を正確に測定するためには、パルス信号の立ち上がり時間を短くし、且つオシロスコープ等の波形解析器３２も広帯域の周波数を観測できるものでなければならない。このため、パルス信号は、例えば、１．５ＧＨｚ、２５０ｍＶ程度とし、これに対応可能な比誘電率測定器３０とする。

比誘電率測定器３０のパルス発生器３１からパルス信号１００が出力されると、このパルス信号は検知部２０の電極対２４を伝播し、開放された終端部２４ａで反射する。この反射信号１０１は比誘電率測定器３０に入力される。波形解析器３２は、パルス信号１００の出力から反射信号１０１の受信までの時間ｔを観測する。

ここで、ある媒質中を伝播する電磁波の速度ｃは、真空中の光の速度ｃ_０と比誘電率εとを用いて、次のように表すことができることが知られている。

ｃ＝ｃ_０／√ε …（１）
ここで、検知部２０の電極２２の長さをＬとすると、
２Ｌ＝ｃｔ …（２）
で表される。一方、真空中の光の速度ｃ_０と観測時間ｔとを用いて
２Ｌａ＝ｃ_０ｔ …（３）
で表されるＬａを見かけ上の電極長さとすると、比誘電率εは、
ε＝（Ｌａ／Ｌ）^２
＝（ｃ_０ｔ／２Ｌ）^２ …（４）
で表される。

従って、波形解析器３２は、パルス信号の出力から反射信号の受信までの時間ｔを観測すると共に、上記（４）式から比誘電率εを求める。

[本実施の形態の測定結果]
次に、本実施の形態に係る降霜検知装置１０を用いて測定した結果を図３に示す。なお、測定は、降霜検知装置１０としてキャンベルサイエンティフィック社のＴＤＲ装置であるＴＤＲ１００を用いて１．５ＧＨｚ、２５０ｍＶの条件で行った。本実施の形態は、比誘電率測定器３０の他に温度計４０で温度も測定している。よって、図３には温度の変化を表すグラフ１１０と比誘電率の変化を表すグラフ１２０とが示されている。なお、図３の横軸は時刻ｔを表し、左側の縦軸は温度を表し、右側の縦軸は比誘電率を表している。

図３には、日没（ｔ２）から夜明け（ｔ５）を含む測定結果を示してある。

まず、温度の変化を表すグラフ１１０について説明する。

図３に示すように、測定開始の時刻ｔ１には、およそ２３℃であった温度は、時刻ｔ２から下がり始め、時刻ｔ３を境に氷点下となる。その後、時刻ｔ５過ぎまで氷点下を維持する。そして、時刻ｔ５以降は温度が上昇し続ける。

次に、比誘電率の変化を表すグラフ１２０の説明をする。

測定開始の時刻ｔ１には、およそ“１．００”であった比誘電率は、日没時刻ｔ２頃から上昇する。そして、時刻ｔ３には、およそ“１．３０”になる。これは結露の影響による。その後、“１．００”を境に上下に変動し続け、時刻ｔ４頃から、“１．０３”で安定状態となる。これは降霜状態である。この時、温度は氷点下である。“１．０３”の安定状態は夜明け時刻ｔ５頃まで続き、それ以降は上昇する。水膜の影響が表れるためである。時刻ｔ６には、およそ“２．８０”となる。

判定装置５０は、比誘電率測定器３０及び温度計４０からそれぞれ比誘電率及び温度の情報を入力し、比誘電率εが１．００（第１の値）から１．００〜１．３０（第２の値）に変化し、更に１．０３（所定値）に安定したら降霜状態と判定する。或いは、これと並行して比誘電率が１．０３に安定した期間が氷点下である場合には、降霜状態であると判定する。このような判定を行うことにより、降霜状態を極めて正確に判定することができる。

判定装置５０にて判定した結果、図３に示すように、Ｗの範囲は無結露無降霜状態、Ｘの範囲は結露状態、Ｙの範囲は降霜状態、そして、Ｚの範囲は水膜状態と判定される。

以上のように、本実施の形態に係る降霜検知装置１０は、ＴＤＲ法を用いているために電極対の静電容量を計測する従来技術とは異なり、高分子皮膜も不要で、結露、降霜状態を明確に検知することができる。

また、本実施の形態に係る降霜検知装置１０は、以下に示す外部機器（図示せず）に接続し使用することで様々な効果を得ることができる。各種使用例を以下に示す。

[使用例１]
判定装置５０を温室の天窓開閉装置のスイッチ部や降霜防止用のファンのスイッチ部と接続させ、降霜検知時に温室の天窓の開閉やファンの自動運転を行う。

[使用例２]
検知部２０をブラックアイスが生じやすい橋の路面上に設置し、判定装置５０を電光表示装置と接続させ、ブラックアイス検知時にブラックアイスの発生を電光表示装置に表示してドライバーや歩行者等に危険を知らせる。

[使用例３]
小型化させた検知部２０を車両の窓枠等の車両ボディの一部に設置し、パルス発生器３１とマイコンとから形成される比誘電率測定器３０を車両内部に設置し、判定装置５０をデフロスターのスイッチ部と接続させる。結露や降霜によって車両のリアガラスや遠隔カメラの防護ガラスの視界が不良にならないよう、デフロスターの自動運転を行う。

[使用例４]
小型化した検知部２０を冷蔵庫や冷凍庫の内部に設置し、判定装置５０をデフロスターのスイッチ部と接続させ、降霜検知時にデフロスターの自動運転を行う。二酸化炭素の発生を抑制する省電力型冷蔵庫への使用が好ましい。

この発明の一実施の形態による降霜検知装置を示す構成図である。検知部の他のパターンを示す図である。同降霜検知装置を用いて比誘電率と温度を測定した結果を表すグラフである。

符号の説明

１０…降霜検知装置、２０…検知部、２１…基板、２２…第１の電極、２３…第２の電極、２４…電極対、２４Ａ…電極対の終端部、３０…比誘電率測定器、３１…パルス発生器、３２…波形解析器、３３…入出力端子、４０…温度計、４１…熱電対、５０…判定装置、５１…判定信号、６０…同軸ケーブル、１００…入射信号、１０１…反射信号、１１０…温度の変化を表すグラフ、１２０…比誘電率の変化を表すグラフ。

Claims

基板上に電極が所定のパターンで形成された検知部と、
前記検知部の前記電極に接続されてＴＤＲ（ＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）法によって前記検知部の比誘電率を求める比誘電率測定器と、
前記比誘電率測定器で求められた前記比誘電率に基づいて降霜状態を判定する判定装置と
を備え、
前記判定装置は、前記比誘電率測定器で求められた比誘電率が第１の値からこの第１の値よりも大きい第２の値に変化し、更に前記第１の値よりも大きく前記第２の値よりも小さい所定値に安定したら降霜状態であると判定する
ことを特徴とする降霜検知装置。
前記検知部の温度を検出する温度計を備え、
前記判定装置は、前記比誘電率測定器で求められた比誘電率が所定値で安定し、且つ前記温度計で検出される温度が摂氏零度を下回っているときに降霜状態であると判定する
ことを特徴とする請求項１記載の降霜検知装置。