KR100627922B1 - 정전용량 접근 센서의 정전용량 변화를 감지하기 위한방법 및 장치 - Google Patents

정전용량 접근 센서의 정전용량 변화를 감지하기 위한방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

아주 적은 정전용량값을 갖는 정전용량 검출요소의 정전용량 변화를 감지하기 위한 방법이 개시되어 있다. 바람직한 실시예로서, 상기 방법은 검출요소를 제1발진기(42)와 연결하는 것을 포함하며, 제1발진기는 제1 검출요소의 정전용량값에 따라 제1주파수를 생성한다. 제1주파수는 기준 발진기(40)에 의해 생성된 기준주파수와 비교된다. 제1주파수가 사전에 설정된 주파수 값만큼 상기 기준주파수와 차이가 있다면, 공칭 정전용량값으로부터의 정전용량의 변화는 감지될 것이다.
정전용량, 접근감지 시스템, 고정발진기, 가변발진기, 저주파통과필터, 중간주파수

Description

정전용량 접근 센서의 정전용량 변화를 감지하기 위한 방법 및 장치{Method and apparatus for detecting a change in capacitance of a capacitive proximity sensor}
본 발명은 일반적으로 접근감지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정전용량 접근센서의 정전용량 변화를 감지하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
자동차의 파워 윈도우, 파워 슬라이딩 도어(power sliding door) 또는 힌지드 도어(hinged door)와 같이 움직일 수 있는 패널의 경로에 있는 장애물을 탐지하기 위해 다양한 시스템이 고안되어 왔다. 장애물이 감지되면 패널의 전방으로의 이동(예를 들어, 닫히는 것)이 방해받고, 그에 따라 패널의 이동은 반대로 바뀐다(예를 들어, 열린다). 이러한 감지시스템은 일반적으로 “접촉식(contacting)” 또는 “비접촉식(non-contacting)"으로 특징지을 수 있다. 접촉식 시스템의 경우, 패널과 장애물 사이에 일정한 형태의 물리적 접촉이 있은 후에야 장애물이 감지되고, 공압의/압력(pneumatic/pressure) 검출 스트립과 같은 장치를 포함하거나 패널을 움직이는 장치에서 기계적 또는 전기적 부하 변화에 반응하는 센서를 포함할 수 있 다.
반면에 비접촉식 시스템의 경우에는, 실제적인 접촉이 있기 전에 장애물이 감지된다. 비접촉식 장애물 감지시스템의 하나의 특수한 형태는 접근센서로서 정전용량(capacitance)의 요소를 사용한다. 정전용량의 접근센서는 컨덕터에 연결된 정전용량에 민감한 회로(예를 들어, 브리지회로 또는 발진기) 뿐만 아니라, 움직일 수 있는 패널의 주 모서리(leading edge)를 따라 형성된 하나 또는 그 이상의 전기 컨덕터를 포함할 수도 있다. 컨덕터에 접근한 장애물(예를 들어, 사람의 손)이 센서의 정전용량을 변화시키고, 그 변화는 정전용량 검출회로에 의해 감지된다.
불행하게도, 실질적으로 환경조건의 변화와 실제의 외부 물체를 구별할 수 있는 민감한 정전용량 접근시스템을 만드는 데 어려움이 있다. 충분히 민감한 정전용량 접근감지 시스템은 센서의 정전용량이 비교적 작게 변화하는 데에도 민감해야 한다. 그러나, 필요이상으로 민감한 장치의 경우에는 사용되는 어떤 고주파 성분이 인접한 전자부품에 방출되는 결과를 가져올 수 있다. 게다가, 감지된 정전용량 변화의 처리에 사용되는 어떤 제어 모듈은 일반적으로 저주파 집적회로로 제공되며, 그에 따라 고주파센서 신호와 집적회로 사이에 적합성(compatibility) 문제를 일으킨다.
종래기술의 전술한 또는 다른 결함과 결점은 공칭(nominal) 정전용량값을 갖는 정전용량 검출요소의 정전용량 변화를 감지하는 방법을 사용함으로써 극복되거나 경감될 수 있다. 바람직한 실시예로서, 상기 방법은 검출요소를 제1발진기와 연결하는 것을 포함하며, 제1발진기는 검출요소의 정전용량값에 따라 제1주파수를 생성한다. 제1주파수는 제2발진기에 의해 생성된 제2주파수 즉, 기준주파수와 비교된다. 제1주파수가 사전에 설정된 주파수 값만큼 상기 기준주파수와 차이가 있다면, 공칭 정전용량값으로부터의 정전용량 변화는 감지될 것이다.
바람직한 실시예로서, 제1발진기와 제2발진기는 정전용량 검출요소의 정전용량이 공칭 정전용량값과 같을 때 제1주파수와 기준주파수가 고정된 오프셋 값에 의해 서로 오프셋되도록 배치된다. 게다가, 제1주파수와 기준주파수는 믹서(mixer)로 보내진다. 그 후에 믹서의 출력은 저주파통과필터로 보내지며, 저주파통과필터의 출력은 제1주파수와 기준주파수의 차이에 대응하는 중간주파수(intermediate frequency, IF)이다. 제1주파수와 기준주파수는 적어도 900MHz인데 비해, 중간주파수(IF)는 바람직하게는 0에서 약 15MHz 사이의 범위에 있다.
보다 바람직한 실시예로서, 중간주파수는 제어모듈에 전송되고, 그 후에 제어모듈에서 중간주파수가 고정된 오프셋 값과 비교된다. 이에 의하여, 중간주파수가 고정된 오프셋 값을 초과하면 공칭 정전용량값으로부터 정전용량의 증가가 감지된다.
몇몇의 도면에서 유사한 요소는 같게 번호를 매겨졌으며 예시적인 도면에 속하는 것으로,
도1은 본 발명의 실시예에 따른, 하나 또는 그 이상의 정전용량 검출요소 및 관련된 고감도 정전용량 감지회로를 포함하는 비접촉식 장애물 감지 시스템의 간략도;
도2는 예시적인 고감도 정전용량 감지기(high sensitivity capacitance detector, HSCD) 및 이에 연결된 관련 제어모듈 회로소자의 회로 구성도;
도3a는 도2에서 보여준 HSCD 회로의 가능한 일 실시예를 도해하는 간략도;
도3b는 도2에서 보여준 관련된 제어모듈 회로의 가능한 일 실시예를 도해하는 간략도를 나타낸다.
비접촉식 장애물 감지시스템에서 찾아볼 수 있으며, 정전용량 검출요소의 상대적으로 작은 정전용량 변화를 감지하기 위한 방법 및 장치가 개시되어 있다. 다음의 개시는 자동차의 파워 도어나 게이트와 관련하여 사용되는 장애물 감지시스템을 서술하고 있음에도 불구하고, 본 발명의 실시예는 어떠한 접근 감지시스템, 보다 일반적으로는 하나 또는 그 이상의 정전용량 검출요소를 사용하는 어떠한 시스템에도 동등하게 적용될 수 있다고 해석할 것이다.
먼저 도1에 대해 언급하자면, 도1은 예를 들어 자동차 파워도어 어셈블리와 관련되어 실시될 수 있는 비접촉식 장애물 감지시스템(10)의 간략도이다. 장애물 감지시스템(10)은 하나 또는 그 이상의 정전용량 검출요소(12)를 포함할 수 있고, 각각은 원하는 공칭 정전용량값을 갖도록 되어 있다. 더 나아가, 각각의 정전용량 검출요소(12)는 그 안에 고감도 정전용량 감지기(HSCD) 집적회로(16)를 갖는 유연한 정전용량 스트립(flexible capacitive strip)(14)("A"부)을 포함한다. HSCD 회로(16)는 "B"로 표시되어 있다.
검출요소(12)는 각각 라인(lines)(20)을 통하여 중앙 제어모듈(18)과 연결된다. 이하에서 상술하는 바와 같이, 바람직하게 라인(20)은 컨덕터의 연선(twisted pair of conductors) 또는 이를 대신하여 동축 케이블(coaxial cable) 부분을 포함할 수 있다. 다른 경우로서, 라인(20)은 중앙 제어모듈(18)로부터 HSCD 회로(16)까지 직류(DC) 전원 신호를 공급하는 수단이 된다. 더 나아가, 중앙 제어모듈(18)은 라인(20)을 통하여 각각의 검출요소(12)로부터 출력신호를 받아들이고, 검출요소(12) 중에서 정전용량의 변화가 감지되는지를 결정한다. 파워 도어 또는 패널이 닫히는 동작 중에 외부 물체가 하나 또는 그 이상의 검출요소(12)에 접근하는 경우에, 중앙 제어모듈(18)은 닫는 동작을 중단하라는 신호를 생성한다. 일 실시예로서, 이것은 중앙 제어모듈(18)을 데이터 라인(24)을 통해 파워 도어 제어모듈(22)에 연결함으로써 이뤄진다.
장애물 감지시스템(10)에 관해 더욱 상세한 사항은 다음의 미국특허출원, 명칭이 "비접촉식 장애물 감지시스템에 사용되는 유연한 정전용량 스트립(Flexible Capacitive Strip for Use in a Non-Contact Obstacle Detection System)"인 대리인 서류번호 DP-304424, 명칭이 "정전용량 접근 센서의 정전용량 변화를 감지하기 위한 방법 및 장치(Method and Apparatus for Detecting a Change in Capacitance of a Capacitive Proximity Sensor)"인 대리인 서류번호 DP-306074, 및 명칭이 "비접촉식 장애물 감지시스템에 사용되는 정전용량 센서 어셈블리(Capacitive Sensor Assembly for Use in a Non-Contact Obstacle System)"인 대리인 서류번호 DP-307244에서 찾을 수 있으며, 각각은 2002년 5월 10일에 출원되었고, 그 내용은 인용문으로서 본 명세서에 통합된다. 바람직하게는, HSCD 회로(16)로부터의 출력신호를 검색/분석표(lookup/profile table)에 저장된 공칭 값과 비교하기 위하여 중앙 제어모듈(18)은 그 안에("C"부) 컴퓨터 하드웨어 및 이와 관련된 소프트웨어를 포함할 수 있다.
"A"부에서 보여준 것처럼, (일 실시예로서) 유연한 정전용량 스트립(14)은 평평한 컨덕터(28) 주위에 (산토프렌 고무(santoprene rubber)와 같이) 단열적이고 유연한 재료(26)로 만들 수 있다. 컨덕터(28)는 정전용량 검출요소(12)의 커패시터 전극으로 작용한다. 더욱이, 스트립(14)이 표면에 부착될 때, 컨덕터(28)는 스트립(14)의 전체 길이를 따라 표면(표시되지 않음)과 실질적으로 평행하도록 설 계된다. 일 실시예로서, 컨덕터(28)는 하나의 커패시터 전극으로서 작용하고, 반면에 표면(예를 들어 금속제의 자동차 차체)은 다른 전극으로서 작용한다. 한 관점에서 스트립(14) 안에 있는 공기 공동(air cavity)(30)은 커패시터 전극 사이에서 유전물질(dielectric material)로서 작용한다. 검출요소(12)는 그 내부에 본떠 만들어진 2개의 컨덕터를 갖도록 설계될 수 있다. 검출요소(12)에 대해 더욱 상세한 것은 다음의 미국특허출원, 명칭이 "비접촉식 장애물 감지시스템에 사용되는 유연한 정전용량 스트립(Flexible Capacitive Strip for Use in a Non-Contact Obstacle Detection System)"인 대리인 서류번호 DP-304424, 명칭이 "정전용량 접근 센서의 정전용량 변화를 감지하기 위한 방법 및 장치(Method and Apparatus for Detecting a Change in Capacitance of a Capacitive Proximity Sensor)"인 대리인 서류번호 DP-306074, 및 명칭이 "비접촉식 장애물 감지시스템에 사용되는 정전용량 센서 어셈블리(Capacitive Sensor Assembly for Use in a Non-Contact Obstacle System)"인 대리인 서류번호 DP-307244에서 찾을 수 있으며, 각각은 2002년 5월 10일에 출원되었고, 그 내용은 인용문으로서 본 명세서에 통합된다.
다음으로 도2의 회로 구성도에 대해 설명하면, HSCD(16)는 고정(로컬) 발진기(fixed (local) oscillator)(40), 가변(RF) 발진기(42), 믹서(mixer)(44), 저주파통과필터(46), 이득단계(gain stage)(48) 및 바이어스 "T" 장치(50)를 포함한다. 고정발진기(40)는 사실상 안정한 주파수 출력을 만든다. 예를 들어, 고정발진기(40)의 주파수는 약 925MHz의 고정주파수 fLO로 할 수 있다. 그러나, 그 주파수는 원하는 어떠한 값으로도 할 수 있다. 가변발진기(42)가 정전용량 스트립(14)의 정전용량값에 따라 출력 주파수를 생성하도록 가변발진기(42)는 상술한 바와 같이 정전용량 검출요소(12)의 정전용량 스트립(14)과 연결된다. 바람직한 실시예로서, 가변발진기(42)는 정상상태 환경에서 약 922MHz(즉, 고정발진기로부터 약 3MHz의 고정된 오프셋)의 주파수 fRF를 생성하도록 설치된다. 여기서, "정상상태(steady state)" 환경은 주어진 검출요소(12)에 어떠한 외부물체도 접근하지 않는 조건을 의미한다. 그러한 상황에서, 스트립(14)의 정전용량값은 그것의 물리적 파라미터에 의해 결정된 대로 공칭 값으로 남아있고, ΔC=0으로 유지된다.
만약 손 또는 다른 외부 물체가 센서 스트립(14)에 접근한다면, 정전용량값은 ΔC≠0이 될 정도로 증가할 것이다. 결과적으로, 가변발진기(42)의 출력 주파수 fRF도 역시 ΔfRF가 ΔC에 비례하는 만큼 변화될 것이다. 보다 상세하게는, 센서 스트립(14)의 정전용량의 증가는 가변발진기(42)의 출력 주파수 fRF가 감소하도록 할 것이다.
고정발진기의 출력 주파수와 가변발진기의 출력 주파수는 모두 복귀손실감쇠기(return loss attenuators)(43a)(43b) 각각을 통해 공급되고, 두 신호가 서로 가감되는 믹서(44)로 들어간다. 본 기술분야에서 잘 알려진 것처럼, 믹서는 기본대역(baseband) 정보 신호를 원하는 수신자(destination)로의 전자파 전달에 적합한 주파수(들)로 변환(shift)시키기 위해서 RF 통신기술에서 사용된다. 이러한 경우에, 변환된 주파수는 가변주파수(variable frequency) fRF이다. 고정(로컬) 발진기(40)의 출력과 혼합될 때, 그 결과는 믹서(44)의 중간주파수(IF) 포트에서 두 개의 출력이다. 이러한 IF 출력은 fLO + fRF와 fLO - fRF로 대표될 수 있다. 그러므로, 정상상태 모드에서 결과적인 믹서 출력주파수는 약 3MHz와 1847MHz이다.
만약 원하는 IF 신호가 RF 신호보다 높으면 믹서는 업컨버터(upconverter)로 간주되고, 만약 IF 신호가 RF 신호보다 낮으면 믹서는 다운컨버터(dowconverter)로 간주된다. 이하에서 기술되는 바와 같이, 본 발명의 HSCD(16)에 대한 원하는 IF 성분은 로컬 발진기(40)와 고정발진기(42)와 주파수 차이이다. 그러므로, 변환되는 주파수는 두 개의 주파수 차이를 통해 지나가도록 저주파통과필터(46)를 통과하여 믹서(44)의 출력을 입력으로 함으로써 적용된다. 바람직하게는, 저주파통과필터(46)는 외부 물체의 존재로 야기되어 검출요소(12)(및 가변발진기(42)의 결과적인 주파수 변화)에 나타난 정전용량 변화가 fLO - fRF의 변화 형태로 인식되고 감지되도록 설계된다.
그 후에, 저주파통과필터(46)의 출력은 작업을 수행하기 위해 제어모듈(18)로 보내지기 전에 이득단계(48)에서 증폭된다. 후술되는 바와 같이, 저주파통과필터(46)는 또한 이득단계(48)의 피드백 네트워크의 일부분으로 배치될 수 있다. 바 이어스 "T" 장치(50)는 제어모듈과 HSCD를 연결시키는 와이어 연결 수를 줄이기 위해 통합된다. 본 기술분야에서 알려진 것처럼, 바이어스 "T"는 교류 (RF) 신호에 사용되는 동일한 전송라인의 직류 전압을 결합시키기 위해, 즉 혼성 신호의 직류 성분을 감지/제거하기 위해 사용된다. 그러므로, 바이어스 "T"가 사용된다면, 제어모듈(18)을 HSCD(16)와 연결시키기 위해 두 개의 와이어의 연선 컨덕터(two-wire twisted pair conductor)가 라인(20)으로 사용될 수 있다. 다른 방안으로 동축케이블이 사용될 수도 있다.
간단한 형태로, 바이어스 "T"는 유도 초크(inductive choke), 또는 1GHz를 초과하는 주파수에 대해 회로기판의 동조된 요소(tuned element)를 포함할 수도 있다. 바이어스 "T" 장치에 대한 부가적인 정보는 Jovanovich 등이 발명한 미국특허 제 6229408호에서 찾을 수 있다. 다중 검출요소(12)가 시스템(10)에 사용된다면, 중앙제어모듈(18)이 다중 바이어스 "T" 배열을 포함할 수 있다는 것은 높이 평가할 만하다. 본 실시예에서, 이득단계(48)로부터의 교류 신호 출력은 바이어스 "T"(50)를 통하여 제어모듈(18)까지 이동되며, 반면에 (예를 들어) 5볼트의 직류 신호는 동력을 공급하기 위하여 제어모듈(18)로부터 HSCD(16)로 보내진다.
도2에 보인 것처럼, 제어모듈(18)은 바이어스 "T"(21)에 대응하는 프런트 엔드 일렉트로닉스 부분(front-end electronics area)(19)을 더 포함한다. 내부 전원(23)은 HSCD(16)에 사용되는 일정한 +5볼트의 출력전압을 제공한다. 또한 수용 하는 측에서, 바이어스 "T"(21)는 IF 신호가 슈미트트리거(Schmidt trigger)(25)를 통과하여 제어모듈(18) 내의 소프트웨어로 디지털 처리가 되도록 HSCD(16)로부터 들어오는 IF 신호를 제거한다.
이제 도3a를 살펴보면, 도2에서 보여준 HSCD(16)의 회로구성도 기능을 실현하는 가능한 일 실시예를 나타내고 있다. 그림에서와 같이, 바이어스 "T"(50)는 커패시터(C9)와 인덕터(L1)를 결합하는 것을 포함한다. IF 신호가 +5볼트 직류 모선(bus)에서 피드백되는 것을 막기 위하여 인덕터(L1)가 높은 교류 임피던스를 제공하는 동안에, 커패시터(C9)는 신호라인에서 저주파통과필터(46)와 이득단계(48)로부터 출력 IF 신호를 결합한다. L1에 대한 바람직한 값은 약 220 마이크로헨리(μH)이고, C9는 약 0.047 마이크로패럿(㎌)으로 선택될 수 있다.
다수의 필터 커패시터 C1, C2, C3 및 C4는 RF 발진기(42)와 로컬 발진기(40)에 의해 생성될 수 있는 직류 모선(60)의 파급효과를 감소시키기 위해 사용된다. 특히, C2와 C3은 또한 하나의 발진기를 다른 것과 고립시키는 데 사용된다. C1부터 C4까지의 정전용량값은 HSCD에 공급되는 직류 에너지를 저장하기 위하여 사용되는 커패시터 C8의 정전용량값(예를 들어, 3.3㎌)과 비교할 때 상대적으로 작다(예를 들어 0.1㎌).
도3a는 RF 발진기(42)에 연결된 정전용량 스트립(14)을 보다 간략하게 나타 내고 있다. 회로의 민감도를 감소시키고 FCC(미국연방통신위원회) 승인대역에서 방출을 유지하기 위해서, 도면에 나타나지는 않았지만, 일련의 커패시터는 바람직하게는 정전용량 스트립(14)과 RF 발진기(42)사이에 결합되고, 그로써 정전용량 분리기(divider)를 형성한다. 게다가, 저항 R1과 R4(예를 들어, 각각 2.1㏀과 1.2㏀)는 RF 발진기(42)를 위한 트림 포인트(trim point)를 제공하기 위해 전압 분리기로서 배치된다.
바람직하게, 로컬 발진기(40)는 RF 발진기로부터 3MHz 오프셋의 정상상태를 유지하기 위해서 바이어스 부하를 완충시킨다. 따라서, 외부의 커패시터 C5(예시적으로 약 30pF의 정전용량을 가짐)는 로컬 발진기(40)와 연결된다. 저항 R2와 R4(예를 들어, 각각 2.1㏀과 560Ω)는 로컬 발진기(42)를 위한 트림 포인트(trim point)를 제공하기 위해 전압 분리기로서 배치된다.
장애물 감지시스템(10)이 제어모듈(18)에서 환경적 요인 보정 소프트웨어를 사용함에도 불구하고, RF 발진기(42)와 로컬 발진기(40) 모두에 대해 같은 형식의 발진기를 사용함으로써 작동조건(예를 들어, 온도 변화)의 변화를 위한 보정의 부가적인 측정이 이뤄진다. 그렇게 함으로써, 온도변화는 RF 발진기(42)의 출력주파수에 같은 효과를 미치므로, 로컬 발진기(40)의 출력주파수의 효과(예를 들어, 온도변화의 결과에 의한)는 RF 발진기(42) 사이의 주파수 차이에 영향을 미치지 않을 것이다.

저주파통과필터(46)와 이득단계(48)는 집적된 요소로서 도3a에 나타나 있다. 첫째로, 저주파통과필터는 커패시터 C6을 믹서(44)의 출력과 연결시키기 위해 배치된다. C6의 정전용량값은 10MHz 근처에서 3dB 감쇠를 제공하기 위해 약 30 나노패럿(nF)으로 선택될 수 있다. 이득단계(48)는 바이어스 저항 R4 및 R5, 피드백 저항 R6 및 R7 그리고 피드백 필터 커패시터 C7과 관련된 연산 증폭기(operational amplifier)(62)를 포함한다.
마지막으로 도3b는 도2에서 보인 관련 제어모듈회로(19)의 가능한 일 실시예를 나타내는 간략도이다. 대응하는 바이어스 "T"(21)는 그 안에 인덕터(L2)와 커패시터(C10)를 포함한다. 한 쌍의 제너 다이오드(zener diodes) Z1, Z2는 슈미트트리거(25)뿐만 아니라 전원(23)의 출력을 위해 일정한 전압을 제공한다. 더욱이, 커패시터 C11, C12 및 C13은 전원(23)을 필터링하며, 전원은 자동차 시스템에서 일반적인 (예를 들어) +12볼트 직류 입력 전압이다.
도3a에서 보인 회로는 단지 HSCD의 일 실시예를 나타내며, 본 기술분야의 숙련자는 본 발명의 실시예의 범위에 있도록 몇몇의 다른 회로 구성이 가능함을 인식할 것이라고 해석되어야 할 것이다.
전술한 바로부터 높이 평가될 수 있는 것처럼, HSCD 방법과 장치는 검출요소 에 배치된 고주파 성분(로컬 발진기(40), 가변발진기(42))을 제공하는 동안에 정전용량의 작은 변화를 감지하기 위한 충분한 민감도를 제공하기 위해 주파수 변환을 이용한다. 다시 말하면, 초기에 가변발진기(42)의 출력에서 작은 주파수 변화로 대표되는 센서 스트립 정전용량의 변화는 전체 시스템의 유지되는 부분에 의해 좀더 사용에 적합한 중간주파수(IF)로 변환된다. 따라서, 변환 기술하의 주파수는 HSCD에 포함된 900MHz 신호를 유지하며, 반면에 신호 fLO - fRF의 차는 단지 자동차의 다른 부분에서 전송된 주파수이다. 신호 범위의 차는 단지 약 0으로부터 15MHz이기 때문에, 중앙제어모듈(18)로의 신호 전송을 위해 연선(twisted pair)을 사용하는 것이 가능하며(바이어스 "T"를 가짐), 가격면에서 좀더 효율적인 대안으로 동축케이블과 커넥터 시스템을 제공한다. 물론, 다른 실시예로서, 회로 또는 시스템이 전술한 범위 밖에서 작동되도록 할 수 있다.
그러나, 바람직한 작동 주파수의 범위가 논의되었음에도 불구하고 HSCD는 어떤 주파수에서도 작동될 것이라는 것 또한 이해되어야 할 것이다. 논의된 실시예는 필드방해센서(field disturbance sensors)를 위해 FCC에 의해 제외된 902~928MHz ISM 대역에서 작동된다. 이 대역은 RF 발진기의 진폭(swing)을 수용하기에 충분하다. 그러나, 낮은 주파수에서 진폭은 특정한 FCC 대역 제한을 초과할지도 모른다. 게다가, 900MHz 대역은 저주파수보다 높은 방출 파워단계(radiated power level)를 허용한다. HSCD의 민감도는 발진기 파워레벨에 의존하지는 않지만, FCC는 최대 방출 파워단계를 규제한다.

본 설계의 또 다른 이점은 명료한 디지털 신호가 중앙제어모듈(18)에 전송된다는 것이다. 사인파에서 기인한 완만한 마루(edge)는 FCC 규제 및 적절한 OEM 설계사양에 포함되는 방출 규제를 충족하도록 용인할 만한 레벨로 두번째 및 세번째 고조파(harmonics)를 제한한다. 더욱이, 전원 파라미터의 변화(작은 기복(ripple) 또는 전압강하)는 본 설계에서 출력 신호 주파수를 변화시키지 않는데, 이는 양쪽 발진기가 상기에 언급한 어떤 조건의 결과로 주파수가 위아래로 변화될 것이기 때문이다. 다시 말하면, 시스템 민감도는 현재의 특정한 파워레벨에 의존하지 않으며, 발진기가 안정하게 유지되도록 한다.
본 HSCD 설계의 더 유익한 점은 접근 감지시스템이 스스로 환경조건에 순응한다는 것이다. 저주파통과필터(46)가 (원한다면 더 넓은 대역폭이 선택될 수도 있지만) 15MHz의 대역폭을 가지도록 설계되고 정상상태 주파수 차이, fLO - fRF가 대략 3MHz로 설정되기 때문에, fRF의 2MHz의 변화(감소)는 장애물이 검출요소에 접근한 것을 결정하기에 충분하다. 따라서, HSCD의 동적 범위가 증가될 것이고, fLO - fRF는 온도변화, 진흙 튀김, 적은 비 및 다른 조건과 같이 환경의 변화를 허용하도록 설정될 수 있다.
또한, 센서 스트립 설계 그 자체는 HSCD(16)의 기능에 관하여 특정한 관련이 있다는 것이 지적되어야 한다. 스트립(14)의 정상상태 정전용량값이 너무 커서 RF 발진기가 기능하지 못할 정도가 되어서는 안 될 것이다. 정전용량값이 너무 크면, RF 발진기(42)는 그 기능이 떨어지고 적절한 주파수에서 작동하지 못하게 될 것이고, 따라서 불안정하게 될 것이다. 그러므로, 스트립(14)의 임피던스는 약 50옴(Ω)으로부터 약 200Ω 사이에서 바람직하게 선택되어야 한다. 약 200Ω의 임피던스는 더 낮은 정전용량값에서 기인하는 좀 더 민감한 장치를 제공하지만, 출력되는 방출 파워는 증가한다. 50Ω에서 방출 파워는 감소하지만, 더 큰 정상상태 정정용량에서 기인한 장치의 민감도는 감소할 것이고, 그에 의해 작동 주파수 범위를 제한한다. 따라서, 약 100Ω의 특정 임피던스를 갖는 스트립(14)은 민감도와 방출 문제에 대한 훌륭한 절충안이 된다.
본 발명은 바람직한 실시예에 관하여 기술되었지만, 본 기술분야의 숙련자에 의해 다양한 변화가 가능하고, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 균등물을 구성요소로 대체될 수 있다고 해석되어야 할 것이다. 게다가, 본 발명의 본질적인 범위를 벗어나지 않고도 본 발명으로부터 특정한 상황 또는 재료를 적용하는 많은 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 안출한 최상의 방식으로서 개시된 특정한 실시예에 한정되지 않으며 본 발명이 첨부된 청구범위의 범위 안에 있는 모든 실시예를 포함한다는 것을 의도하고 하고 있다.
본 발명은 일반적으로 접근감지 시스템에 관한 것으로, 자동차의 파워 도어(power door)나 게이트(gate)와 관련하여 사용되는 장애물 감지시스템 등과 같이 정전용량 검출요소를 사용하는 시스템에 적용될 수 있다.

Claims (21)

  1. 검출요소를 제1발진기(42)와 연결하여, 상기 검출요소의 정전용량값에 따라 상기 제1발진기로 제1주파수를 생성하는 단계; 및
    상기 제1발진기에 의해 생성된 상기 제1주파수를 제2발진기(40)에 의해 생성된 제2주파수인 기준주파수와 비교하는 단계;를 포함하며,
    상기 제1주파수가 사전에 설정된 주파수 값만큼 상기 기준주파수와 차이가 있다면 공칭 정전용량값으로부터 정전용량의 변화가 감지되는,
    공칭 정전용량값을 갖는 정전용량 검출요소(12)의 정전용량 변화 감지 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방법은 상기 정전용량 검출요소의 정전용량이 공칭 정전용량값과 같을 때 상기 제1주파수와 상기 기준주파수가 고정된 오프셋(offset) 값에 의해 서로 오프셋되도록 하기 위해, 상기 제1발진기와 상기 제2발진기를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 변화 감지 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 방법은
    상기 제1주파수와 상기 기준주파수를 믹서(44)에 입력하는 단계; 및
    상기 믹서의 출력을 저주파통과필터(46)에 입력하는 단계;를 더 포함하며,
    상기 저주파통과필터의 출력은 중간주파수(IF)이고, 상기 중간주파수는 상기 제1주파수와 상기 기준주파수 사이의 차이에 대응하는 것을 특징으로 하는 정전용량 변화 감지 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 중간주파수(IF)는 약 0에서 약 15MHz의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 정전용량 변화 감지 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1주파수와 상기 기준주파수는 적어도 900MHz인 것을 특징으로 하는 정전용량 변화 감지 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 방법은
    상기 중간주파수를 제어모듈(18)에 전송하는 단계; 및
    상기 중간주파수를 상기 고정된 오프셋 값과 비교하며 상기 고정된 오프셋 값은 상기 제어모듈에 저장되는 단계;를 더 포함하며,
    상기 중간주파수가 상기 고정된 오프셋 값을 초과하면 공칭 정전용량값으로부터 정전용량의 증가가 감지되는 것을 특징으로 하는 정전용량 변화 감지 방법.
  7. 검출요소와 연결되어, 검출요소의 정전용량값에 따라 제1주파수를 생성하는 제1발진기(42);
    기준주파수를 생성하는 제2발진기(40); 및
    상기 제1발진기에 의해 생성된 상기 제1주파수를 상기 제2발진기에서 생성된 상기 기준주파수와 비교하는 장치;를 포함하며,
    상기 제1주파수가 사전에 설정된 주파수 값만큼 상기 기준주파수와 차이가 있다면 공칭 정전용량값으로부터 정전용량의 변화가 감지되는,
    공칭 정전용량값을 갖는 정전용량 검출요소(12)의 정전용량 변화 감지 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 장치는 상기 정전용량 검출요소의 정전용량이 공칭 정전용량값과 같을 때 상기 제1발진기에 의해 생성된 상기 제1주파수와 상기 제2발진기에 의해 생성된 상기 기준주파수가 고정된 오프셋(offset) 값에 의해 서로 오프셋되는 것을 특징으로 하는 정전용량 변화 감지 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 장치는
    제1 입력으로서 상기 제1주파수 및 제2 입력으로서 상기 기준주파수를 갖는 믹서(44); 및
    상기 믹서의 출력을 입력으로 갖는 저주파통과필터(46);를 포함하며,
    상기 저주파통과필터의 출력은 중간주파수(IF)이고, 상기 중간주파수는 상기 제1주파수와 상기 기준주파수 사이의 차이에 대응하는 것을 특징으로 하는 정전용량 변화 감지 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 중간주파수(IF)는 약 0에서 약 15MHz의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 정전용량 변화 감지 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1주파수와 상기 기준주파수는 적어도 900MHz인 것을 특징으로 하는 정전용량 변화 감지 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 고정된 오프셋 값은 약 3MHz인 것을 특징으로 하는 정전용량 변화 감지 장치.
  13. 제9항에 있어서, 상기 장치는
    제어모듈(18);
    상기 중간주파수를 상기 제어모듈에 전송하기 위한 신호 라인(20); 및
    상기 고정된 오프셋 값은 상기 제어모듈에 저장되며, 상기 고정된 오프셋 값과 비교되는 상기 중간주파수;를 더 포함하며,
    상기 중간주파수가 상기 고정된 오프셋 값을 초과하면 공칭 정전용량값으로부터 정전용량의 증가가 감지되는 것을 특징으로 하는 정전용량 변화 감지 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 저주파통과필터와 상기 신호라인 사이에 배치되며, 상기 신호라인이 상기 중간주파수를 상기 제어모듈과 상기 제어모듈로부터 직류(DC) 파워 신호에 동시에 전송하도록 하는 바이어스 "T" 장치(50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 변화 감지 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 신호라인은 컨덕터의 연선(twisted pair of conductors)을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 변화 감지 장치.
  16. 공칭 정전용량값을 갖는 정전용량 스트립(12): 및
    상기 정전용량 스트립에 집적된 정전용량 감지회로(16);를 포함하며,
    상기 정전용량 감지회로는
    정전용량 스트립에 연결되고, 정전용량 스트립의 정전용량값에 따라 제1주파수를 생성하는 제1발진기(42); 및
    상기 정전용량 스트립의 정전용량이 상기 공칭 정전용량값과 같을 때 기준주파수가 상기 제1주파수로부터 고정된 오프셋 값만큼 오프셋되며, 기준주파수를 생성하는 제2발진기(40);를 더 포함하며,
    상기 제1주파수가 상기 기준주파수와 상기 고정된 오프셋 값 이상의 차이가 있다면 상기 공칭 정전용량값으로부터 정전용량 스트립의 정전용량 변화가 감지되는 정전용량 검출기.
  17. 제16항에 있어서, 상기 정전용량 감지회로는
    제1입력으로서 상기 제1주파수 및 제2입력으로서 상기 기준주파수를 갖는 믹서(44); 및
    상기 믹서의 출력을 입력으로 갖는 저주파통과필터(46);를 더 포함하며,
    상기 저주파통과필터의 출력은 중간주파수(IF)이고, 상기 중간주파수는 상기 제1주파수와 상기 기준주파수 사이의 차이에 대응하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출기.
  18. 제17항에 있어서, 상기 중간주파수를 상기 정전용량 감지회로로부터 전송시킴과 동시에 직류 파워신호를 정전용량 감지회로 안으로 전송되도록 하는 바이어스 "T" 장치(50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출기.
  19. 제18항에 있어서, 상기 중간주파수(IF)는 약 0에서 약 15MHz 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출기.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제1주파수와 상기 기준주파수는 적어도 900MHz인 것을 특징으로 하는 정전용량 검출기.
  21. 제20항에 있어서, 상기 고정된 오프셋 값은 약 3MHz인 것을 특징으로 하는 정전용량 검출기.
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