KR100856963B1 - 용량검출기가 달린 제어시스템 - Google Patents

Abstract

근접물체의 동작으로 인한 용량변화율에 응답해 장치의 동작을 제어하는 용량성 센서시스템은 PLL에 배치된 두개 이상의 감지전극과, 이들 감지전극 사이에 연결된 전압제어발진기와 위상/주파수 비교기, 및 감지전극들에 동작주파수를 제공하는 RC 네트웍을 포함한다. 기준발진기를 포함한 회로루프는 PLL에 고정 기준주파수를 제공하고, 상기 위상/주파수 비교기와 전압제어발진기 사이에 연결된 위상지연망때문에 기준발진기보다 앞서 전압제어발진기가 운용된다. 상기 고정주파수와 동작주파수 사이의 위상이동 변화에 응답해 트리거회로가 제어출력을 제공한다.

Description

용량검출기가 달린 제어시스템{CONTROL SYSTEM WITH CAPACITIVE DETECTOR}

본 발명은 자동제어시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 용량센서를 이용해 장치의 동작을 제어하는 시스템에 관한 것이다.

사람이나 물체를 감지하여 경보를 내고 신호를 표시하거나 제어를 하는 용량센서들은 지금까지 수많이 개발되었다. 예를 들어, 특정영역을 건드리거나 물체가 근접하면 신호를 내는 경보시스템에 용량성 감지회로들이 사용되었다. 다른 경우로는, 액체나 고체의 존재여부를 검출한 뒤 경보신호나 측정값을 표시기에 표시하는데 용량성 감지회로들을 이용했다. 용량센서들은 물체까지의 거리, 크기, 수분함량, 오일오염, 습도, 압력, 액체높이 등을 측정하는데도 이용되어왔고, 사실상 수많은 측정 및 검출 응용례에서 감지의 기초소자를 이룬다.

디스펜서의 제어에 관해서는, 장치를 직접 조작하지 않고 인간의 동작으로 장치를 작동시키는 것이 바람직하다. 예컨대, 수도꼭지, 타월 디스펜서, 핸드드라이어, 비누 디스펜서 등에는 위생적인 이유로 직접적인 접촉 없이 씻는 것이 바람직하다.

이런 비접촉 장치들에 물이나 비누를 보존하기 위해 여러가지 제어시스템들이 개발되었지만, 이런 시스템들은 오동작에 시달리곤 했다. 즉, 실제로는 신체의 일부가 없는데도 장치가 동작하곤 한다. 물론, 이렇게 되면 제어시스템의 원래의 목적에 반하게 액체가 나오게 된다.

또, 비누 디스펜서 등의 경우, 비누가 잘못 나와 바닥에 고이면 사람이 미끄러져 다칠 수 있기때문에 안정성도 중요하다.

오동작 문제, 구체적으로는 근접센서에 의한 신뢰성과 근접물체의 민감한 검출에 대한 문제점은, 센서의 잡음이나 흔들림과 같은 요인으로 인해 생기거나 주변환경 자체의 변화로 인해 유도될 수 있는 신호강도의 변화와, 물체의 근접도의 변화로 인한 신호강도의 작은 변화 사이를 신뢰성 있게 구분할 필요성에서 기인하고, 주변환경의 변화로는 검출신호 자체보다 작거나 큰 신호를 일으킬 수 있는 센서의 오염이나 기타 영향이 있다.

현재 시중에서 판매되는 비접촉 비누 디스펜서 등에 자주 사용되는 적외선 근접센서의 경우, 흔들림, 빛나는 물체에서의 반사로 인한 센서내의 빛의 침투 등으로 인해 오동작을 일으킬 수 있고, 또는 물체의 반사율의 변화나 광학장치의 오염 등으로 물체의 검출에 실패할 수도 있다.

물체의 근접존재로 인한 용량 변화의 검출로 물체를 감지하는 용량성 근접센서의 경우, 근접물체로 인한 실제 용량변화가 주변의 변화로 인한 다른 용량변화에 비해 작아 근접물체의 검출이 어렵고 신뢰성이 떨어질 수 있다.

이렇게 용량검출에 방해를 줄 수 있는 환경 변화로는, 먼지가 조금씩 쌓이거나 수분이 응축되어 감지영역내의 전극이나 기타 구조물 표면이 오염되거나, 주변 습도가 상당히 변하거나, 부근 구조물이나 물체의 성분이 점차 변하거나, 센서 장 착위치가 변하는 것 등이 있는데, 이런 모든 변화는 센서전극들 사이의 전기장의 형상이나 강도에 작은 변동을 일으켜 대전상태를 변화시키고, 그 결과 전극사이의 커패시턴스(용량)를 변화시킨다.

종래 기술의 용량성 근접센서의 형태로는 기본적으로 두가지가 있다. 한가지 형태는, 흔히 플라스틱판 형태로서, 센서에 하나의 감지전극만 있고 접지 용량을 측정한다. 감지할 물체가 도전성을 갖고 접지되어 있으면, 근접 감지전극에 대한 물체의 이동이 용량을 변화시키고 이 변화를 측정해 물체의 거리에 추정시키는 두번째 전극을 효과적으로 형성할 수 있다.

대신에 감지할 물체가 도전성이 없으면, 지면에서 일정한 거리에서 두번째 고정전극을 지면에 연결하고 감지할 물체를 두개의 전극 사이로 통과시켜 용량변화를 일으킨다. 두번째 형태로는, 주변영역(fringe field) 형태로서, 두개의 감지전극들을 서로 가깝게 센서에 배치하고, 유전효과나 도전효과에 의한 전기장의 변화로 감지되는 물체가 두개 전극 사이의 용량을 변화시킨다. 이런 용량변화를 감지하여 물체의 거리 변화를 추정한다. 주변영역형 용량성 근접센서들은 센서 위치를 고정하거나 기타 방해되는 환경요인들을 조절할 수 있는 경우에 널리 사용된다.

그럼에도, 이런 장치들은 표면 오염으로 인한 오차를 별도로 감지하여 보충하기 위한 전극을 추가로 설치하곤 한다. 최대 감지거리가 센서의 범위이고, 이 거리는 용량변화를 감지하는 감도, 감지할 물체의 성질과 크기 및 감지전극의 물리적 크기에 관련된다. 감지전극이 클수록 감지범위도 크다.

전극크기가 일정하고 감지할 물체가 일정하면 감도가 민감할 수록 감지범위 도 커지는데, 이 경우는 큰 전극이 불필요하면서도 큰 감지범위가 필요한 경우에 유리하다. 그러나, 커패시턴스 변화의 검출에 민감하다고 해도 환경문제로 상당한 커패시턴스 변화가 생길 수 있는 곳에서는 신뢰성이 없다.

본 발명은 종래의 시스템의 이상과 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 감도와 신뢰성이 개선된 용량성 센서시스템을 제공한다.

이런 목적은 시간에 따른 용량의 변화율만을 탐지하는 감지수단을 제공함으로써 달성된다. 이 변화율은 수학적으로 dC/dt로 표시되고, 종래 기술에서 두개의 용량 사이의 차이를 측정하는 것과는 확연히 다르다.

dC/dt= 시간에 대한 용량변화율

따라서, 용량변화에 기초해 검출하는 기존의 시스템과 대비된다.

본 발명에 있어서, 연속으로 동작하는 제어루프를 이용해 위상 영역에서 실행되는 검출은 임의의 절대값을 가질 수 있는 환경변화가 충분힌 긴 시간동안 dC/dt에 대한 검출감도보다 낮은 속도로 발생한다면 이들 환경변화로 인한 점진적인 용량변화에 둔감하다는 점에서 유리하다.

시간에 대한 신호변화율은 이 신호를 전자적으로 미분함으로써 용량변화를 측정하는 여러가지 종래의 용량센서의 출력으로부터 주로 유도될 수 있지만, 이렇게 유도된 신호는 필요한 신뢰성과 검출도를 제공하지 않는7다. 이는 센서 신호를 미분하는 행위로 신호 잡음이 커져 신뢰성이 저하되기 때문이다.

따라서, 본 발명은 센서에서 일정 거리내의 영역에서 사람의 손과 같은 물체 의 움직임을 검출하는, 기본적으로 동작에 반응하는 용량성 감지수단을 제공한다. 본 발명에 따른 시스템은 감지영역내에 있을 때 센서를 향한 손의 작은 움직임을 신뢰성 있게 검출하는 수단을 제공한다. 또, 이런 신뢰성은 사람이 손을 씻을 경우에 흔한 감지동작중에 전기적으로 접지되거나 단속적으로 접지되는지의 여부에 무관하다.

센서가 주변의 전기적 특성과, 감지영역에 손이 진입할 때보다 큰 주변에서의 전체적인 크기의 점진적인 변화에 연속적으로 적응하기 때문에 이런 신뢰성은 근본적으로 오동작의 염려가 없다. 따라서, 이 센서는 제로 드리프트를 갖는다.

그러므로, 본 발명은 수동조작이 필요없이 다른 주변 영역들에서 기능한다. 또, 본 발명은 RF나 기타 외부의 전기장 간섭의 영향을 받지 않으며, 자체의 전자기 방출이 낮고 동력을 거의 소비하지 않는다. 마지막에 언급한 특징으로 인해 전지의 수명이 연장된다.

발명의 요약

본 발명에 따라 근접 물체의 동작으로 인한 용량변화율에 응답해 장치의 동작을 제어하기 위한 용량성 센서시스템은 서로 이격되게 배치되어 그 사이로 전기장을 설정할 수 있는 두개 이상의 감지전극들을 포함한다. 전기장내에서의 근접 물체의 움직임으로 인한 감지전극의 용량변화율에 응답해 용량변화에 관련된 신호들의 중간단계의 전자회로적 미분(intermediate electronic differentiation) 없이 전자회로가 제어출력신호를 제공한다.

바람직하게, 감지전극은 평탄면에 배치되고, 그 구성상 감지전극들 사이에 외부로 뻗는 전기장을 형성할 수 있다.

더 구체적으로, 이 전자회로는 VCO(voltage controlled oscillator)를 포함하는 PLL(phase locked loop), VCO에 고정 기준주파수를 제공하는 고정 기준주파수 발진기, 위상/주파수 비교기, 루프가 위상고정될 때 기준 위상에 대해 VCO 위상을 지연시키고 VCO 주파수가 기준발진기의 주파수도다 앞서도록 하는 위상지연회로, 및 위상/주파수 비교기의 위상 에러신호를 적분하여 루프의 동적응답을 정의하기 위한 루프필터를 포함할 수 있다.

루프필터의 특성은 루프의 동적 응답을 늦춰 사실상 검출할 물체의 시간에 대한 동작 특성에 일치시키도록 하는데 있다. 또, VCO와 기준발진기 사이에 위상감지 트리거회로를 연결하여 두개의 신호들이 같은 위상일 때마다 센서출력신호를 생성한다.

VCO는 어떠한 용량 증가에도 VCO 주파수가 느려지거나 빨라지도록 감지전극에 연결된다. 감지전극의 감지영역으로 들어가는 물체에 의한 용량변화는 기준주파수에 대해 동작주파수의 위상이동을 일으키고, 이때문에 감지전극의 용량변화율이 커진다.

비교기에서 생긴 위상에러신호는 루프필터에서 적분되고, 위상이동이 위상지연망에서 정의된 임계값을 넘을 정도로 충분히 빠르게 위상에러가 축적되면, 센서출력이나 트리거신호가 생성된다. 이 신호는 비접촉 비누 디스펜서 부근의 손동작을 검출하는데 센서를 사용하는 비누펌프나, 디스플레이나 경보장치에 연결되어 접근을 표시하는 다른 장치의 제어에 사용될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 트리거신호 발생회로는 D-플립회로를 포함하고, 다른 한편으로는 트리거회로가 전압비교기를 포함하기도 한다.

바람직한 실시예에서, VCO와 위상/주파수 비교기 사이에 분주기를 연결하여, 기준발진기의 주파수의 몇배수의 주파수로 VCO 주파수를 동작시킨다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 제어회로는 루프에 대한 다른 피드백경로를 포함하는데, 이 경로는 루프필터에 병렬이고 이것이 없을 경우 감지전극에 생기는 아주 큰 dC/dt에 의해 생길 아주 큰 위상지연 에러들에 대한 다수의 트리거신호를 없애기 위한 것이다. 이 피드백 경로에는 아주 큰 위상에러신호에 적응적인 회로가 있어서, 작은 에러신호에 대해서는 무시해도 좋은 출력을 제공하면서, 아주 큰 신호에 대해서는 위상차가 ±90도 범위에서 벗어나지 않도록 한다. 바람직한 실시예에서, 이런 피드백 경로에는 RC 복조망과 함께 다이오드가 있다.

더 구체적으로, 물체가 사람의 손이고 이 손이 유전체로 검출되게 접지되어 있도록 충분히 높이 감지전극에 VCO가 동작주파수를 제공한다. 이렇게 되면 종래기술에 알려진 것처럼 손의 전기적 접지상태의 변동으로 인한 잘못 검출될 가능성이 배제되고 센서에 필요한 최소 동작주파수가 수백 ㎑로 된다. 따라서, 바람직한 실시예에서, 그리고 물체가 손이고 장치가 비누 디스펜서인 경우, 동작주파수는 약 0.5㎒로 설정된다. 이와 관련해 다른 적용례에서는, 도전효과를 피하면 동작주파수에 다른 바람직한 구속을 가할 수도 있다. 이런 구속도 본 발명의 범위내에 있다.

감지전극에 평행하게 떨어지게 접지 차폐전극을 배치하는 것이 바람직하다. 이렇게 되면 차폐전극 위의 영역에 감지 전기장을 없애서, 이 영역을 시스템 오동 작 없이 활용할 수 있다. 다른 실시예에서는, 차폐전극을 두쪽으로 분할하고 각각의 반쪽을 맞은편 감지전극과 같은 전압으로 구동하여, 감지전극들과 차폐전극 사이의 용량을 낮춤으로써, 감도를 개선함은 물론 센서 범위를 향상시킨다. 이 경우에는, 차폐전극용 전압파형을 생성시키는 추가 전자회로망이 필요하다.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 트리거로서 D-플림 회로를 이용하는 본 발명의 일 실시예의 블록도;

도 2는 도 1의 블록도에 도시된 회로의 회로도;

도 3은 트리거에 비교기를 사용한 본 발명의 다른 실시예의 블록도;

도 4는 도 1, 3과 같은 블록도에 사용하기에 적당한 감지전극 구성도;

도 5는 평평한 손이 존재하기 때문에 생기는 도 4의 감지전극의 용량변화를 측정한 그래프.

도 1에는 본 발명에 따른 센서회로(10)의 블록도가 도시되어 있다. 이 회로는 용량변화에 관련된 신호들의 중간단계의 전자회로적 미분 없이 전기장내서 근접 물체의 움직임으로 인한 감지전극의 용량변화율에 응답해 제어출력신호를 제공하기 위한 전자회로의 일례이다.

전체적인 동작원리는 다음과 같다: 감지전극들(14,16)에 PLL(12; phase locked frequency control loop)이 연결된다. PLL은 출력단을 갖는 VCO(22; voltage controlled oscillator)를 포함하고, VCO의 주파수는 입력제어전압(102)에 선형으로 관련된다. 그 출력단은 분주기(100)와 고정 위상지연망(34)을 통해 위상/주파수 비교기에 연결된다.

비교기에는 기준발진기(32)가 연결되어 연속적인 고정주파수 신호를 생성한다. 위상/주파수 비교기(24)는 분할된 VCO 주파수가 기준주파수보다 낮을 때는 고전압(Vcc)을 제공하고 분할된 VCO 주파수가 기준주파수보다 높을 때는 저전압(0)을 제공한다.

또, 두개의 주파수가 동일하되 위상차가 있으면, 비교기(24)가 두개의 신호들의 상승연부를 검출하고 펄스출력을 생성하는데, 그 폭은 ±360°사이의 위상차에 비례한다. 위상/주파수 비교기가 이곳에 제공된 두개의 신호들의 상승연부들의 위상차가 제로가 되도록 하므로, 평균 루프제어전압은 선형으로 0과 Vcc 사이로 유도된다. 이렇게 되면, 분할된 VCO 주파수가 위상지연망(34)에서 정의된 양만큼 항상 기준주파수의 위상보다 앞서도록 PLL이 위상고정된다. 이 상태가 센서의 정상적인 휴지상태이다.

바람직한 실시예에서, 분주기(100)는 VCO가 기준발진기의 주파수를 16배로 운용하도록 VCO 주파수를 16으로 분할한다. 이런식으로 분주기를 활용하면 저렴한 저주파, 저전력 기준발진기를 사용할 수 있고, 한편 이런 분주기의 활용은 센서의 기본 동작에 필수적인 것은 아니다. VCO와 위상/주파수 비교기는 예컨대 텍사스 인스트루먼트에서 제작하는 CD74HC4046AM 칩의 소자들일 수 있다.

루프필터(20)는 RC 네트웍이고 제어루프의 동적 응답을 지배하는 대형 커패 시터를 병합한다. 이런 커패시터에 소형 저항기를 직렬로 설치하여 VCO 입력(102)에 연결한다. 이 저항기로 인해, 제어루프는 소량의 회로잡음을 억제하고 VCO와 기준신호들 사이의 위상관계를 안정시킬 수 있다.

루프필터(20)에 병렬로 연결되는 다른 피드백 경로(101)를 제공하는 것이 바람직하다. 이 피드백경로는 이것이 없을 경우 발생할 의사 다중 트리거신호들을 제거하기 위한 것으로서, 이런 트리거신호들이 있으면 감지전극들에서 생기는 아주 큰 dC/dt로 인해 아주 큰 위상지연에러가 자주 발생한다. 이런 큰 신호들은 물체의 비정상적인 급격한 움직임이 검출되거나 이런 움직임이 폐쇄 범위에서 검출될 경우 생길 수 있다.

이런 우발적인 대형 신호들은 센서를 이용해 액체비누 디스펜서에서의 손동작을 검출할 경우 발생할 수 있다. 이런 피드백 경로에는 아주 큰 위상에러신호들에 적합한 회로가 병합되어, 작은 에러신호들에 대해서는 무시해도 될 출력을 제공하고, 아주 큰 신호들에 대해서는 위상차가 ±90°를 벗어나지 않도록 한다. 바람직한 실시예에서, 이런 병렬 피드백 경로에는, 트리거와 하나의 다이오드가 RC 복조회로와 함께 반대 방향으로 되게하는 위상이동방향으로 두개의 직렬 다이오드가 병합된다. 이렇게 되면, 위상에러신호가 억제할 수 없는 교호적인 병렬 피드백 경로가 제공된다.

D형 플립-플롭(30)과 같은 민감한 위상비교기를 기준발진기(32)와 주파수분할 VCO 신호에 연결하되, 기준점은 데이터 입력에 연결하며 VCO는 클록입력에 연결한다. 이 소자는 센서 출력신호를 생성하는 트리거로 사용된다. 손(도시 안됨)과 같은 물체가 활성영역으로 움직이되 루프를 억제하기에 충분한 속도로 움직여 감지전극에서 용량이 증가함에 따라, 이들 신호들 사이의 위상은 이동하려고 할 것이다. 이런 이동이 위상지연망(34)에 의한 위상 임계설정치와 같거나 넘을 때마다, 데이터 입력은 클록 천이 시점에서 하이가 아닌 로우로 될 것이고 트리거 출력이 생길 것이다.

이상 설명한 구성은 음의 dC/dt에 반대되는 양의 dC/dt만을 검출하거나 음양 dC/dt를 둘다 검출하도록 구성됨을 알 수 있다. 이것은, 전술한 센서 구성이 탐지되는 물체가 센스 전극 반대방향이 아닌 전극쪽으로 움직일 때만 출력을 냄을 의미한다. 이런 동작모드는 손이 비누디스펜서에서 벗어날 때가 아닌 디스펜서를 향해 움직일 때만 비누가 나오도록 하는 비누 디스펜서에 특히 유리하다. 이런 동작모드는 일반적인 비누 디스펜서 사용자의 입장에서는 단순하면서도 아주 쉽다고 할 수 있으며, 또한 비누 디스펜서에 적용할 경우 성능면에서 유리하다고 할 수 있다.

이런 추가적인 특징은 추가적이거나 연속적으로 사용자에게 비누를 공급해야만 하여 센서 트리거신호들을 추가적이나 연속적으로 생성할 필요가 있을 경우에 적용된다. 이 경우, 그리고 예컨대 손이 정지상태로 존재하여 유도되는 신호로 인해 센서가 양의 dC/dt에 민감하고 정적 용량변화를 조정하기 때문에, 사용자는 자신의 손을 감지영역에서 완전히 뺀 다음 다시 들이밀 필요가 없고 단순히 자신의 손을 감지전극을 향해 움직이거나 센서가 활동하는 활성영역내에서 위아래로 조금만 움직여도 감지전극을 향한 움직임의 검출로 비누가 나오게 된다.

한편, 다른 응용례가 필요한 경우, 탐지 물체가 활성영역을 향해 움직이거나 활성영역에 들어가는 대신 활성영역에서 벗어날 때 트리거 신호가 생성되어 음의 dC/dt를 검출하도록 센서회로를 쉽게 재구성할 수 있다. 이런 센서는 일정 영역에서 벗어나는 물체의 움직임을 검출할 필요가 있을 때 주로 채택될 수 있다.

여러가지 방식으로 휴지위상 관계를 설정할 수 있지만, 위상/주파수 비교기(24)의 입력단에 작은 RC 네트웍을 이용한 위상지연소자(34)를 구성하는 것이 바람직하다. 이렇게 되면, 잡음제거와 감도 사이에 균형을 맞추는 정도로 VCO 발진기(22)가 기준발진기(32)보다 앞서서 실행된다. 두개의 위상이 가까울수록 트리거 회로도 민감해진다. 두개의 위상 사이의 위상이동이 클수록 회로잡음의 허용오차와 발진기 지터(jitter)가 커진다. 위상지연소자(34)는 트리거 임계치를 설정한다.

기준발진기의 주파수가 약 32㎑이면, 0.5-4 ㎲ 범위로 위상지연을 설정할 수 있고, 이 값은 6-45도에 대응하는데, 가급적 지연값은 1.5㎲로 설정하는 것이 좋다.

RF 간섭과 관련해, 종래기술에 일반적인 용량센서는 표류전자기방사 효과로 인해 오동작의 영향을 받곤 한다. 본 발명에서는, 이런 형태의 RF 간섭에 대한 고도의 면역성이 생기는데, 이는 센서가 PLL 회로에 기초하여 특정 저주파수에서 동작하고, 이에 따라 이 주파수보다 높거나 낮은 주파수는 원천적으로 거부하기 때문이다.

그럼에도 불구하고, 환경에 따라서는 센서를 오동작시키기에 충분한 주파수와 강도를 갖는 의사 RF가 발생할 수도 있다. 이를 감안하여, 바람직한 실시예에서 는 감지전극들과 VCO(22) 사이에 필터(103,104)를 연결한다.

이들 필터는 전자렌지 등의 주방기구나 핸드폰에서 나오거나 그렇지 않으면 센서의 오동작을 유발하는 강도를 갖는 표류 또는 의사 외부 RF 간섭으로 인해 고주파 신호가 센서 회로에 침투하는 정도를 감소시킨다. 이들 필터는 페라이트 필터일 수 있지만, 비누 디스펜서에 이용할 경우 저항기와 커패시터의 간단한 네트웍을 이용해 충분한 감쇠를 이룰 수도 있다.

도 2는 두개의 감지전극이 J1과 J2로 표시된 지점에서 직접 연결되는 실제 센서회로(10)의 회로도이다. 특히 이 회로는 J3로 표시된 연결점에 직접 차폐전극이 연결되어 차폐전극을 활용할 경우 필요하다. 이 회로는 도 2에 표시된 소자들을 이용해 당업자에 의해 인쇄회로기판에 구성될 수도 있다. 주지하는 바와 같이, 필요하다면 대량생산의 경제성을 감안하여, 이 회로는 당업자에 의해 ASIC(application specific integrated circuit)로 알려진 싱글 집적회로 전자소자로 가공될 수도 있다.

센서의 동적 응답에 대한 아래 수식을 이용해 센서의 기본 동작에 대해 설명한다. 시간에 따른 용량변화 형상이 다르면 회로(10)의 반응이 달라진다. 비누 디스펜서에 적용하기 위해서, 바람직한 형상은 용량이 램프형으로 변하는 것이다. 따라서, 트리거 회로가 D-플립에 기초하고 램프형 용량변화를 위한 회로의 응답에 대 한 분석 솔루션은 아래와 같다.

여기서,

Ko = 이득상수

F1 = VCO 제어전압 V1에 대응하는 VCO 동작주파수

F2 = VCO 제어전압 V2에 대응하는 VCO 동작주파수

실제, 그리고 사용되는 특정 소자의 정밀도에 따라, 위의 식에서 표현된 이득상수 Ko는 정확히는 주파수 및 제어전압의 선형함수는 아니다. 그러나, 소정 범위의 값에서는 대략 선형이다. 또, 설계의 목적상, 일반적으로 Ko는 아래 표현되는 회로 인자 범위의 비선형 함수이다.

Ko = F(Vcc, N, ω, R1, R2, C)

여기서

Vcc = 공급전압으로서 도 2에 도시된 회로에서는 3.3V에 해당

N = 회로소자(100)으로 인해 VCO 주파수를 나누는 수

ω= 기준발진기(32)의 원형 주파수

R1 = 도 2에 도시된 회로도에서 R1에 대응하는 저항값

R2 = 도 2에 도시된 회로도에서 R2에 대응하는 저항값. 여기서 위의 방정식에서 f로 표시된, 회로 설계 목적상 필요한 정확한 함수관계는 "1998년 2월 발표되고 2000년 5월 수정된 CD54/74HC4046A 텍사스 인스트루먼트 데이타시트"에 여러가지 그래프로 제시된 데이타시트에 자세히 제시된 데이타에서 결정된 것으로서, 이 데이타시트는 도 2에 도시된 특정 PLL 회로소자의 동작을 설명한다.

VCO = 제어전압 102의 범위의 중간값인 Vcc/2이고, Vcc는 공급전압으로서 도 2의 회로에서는 3.3V임.

Vref = PLL칩의 내부 기준전압.

Kd = Vcc/4π

τ1 = (R₃+R₄) C

여기서 R₃, R₄, C는 (도 2에 도시된 회로도에서 R9, R8 및 커패시턴스 C7에 대응하는) 루프 필터성분.

t = 시간

ζ= 아래와 같이 주어지는 감쇠율

ζ= ½·ωn ·τ₂

여기서 τ₂ = R₄·C

위에 주어진 식은 시간에 따른 응답기간을 곱한 진상기간을 갖는다. 응답기간은 결국 제로까지 감소된다. 초기 응답크기는 트리거에 대해 상승하여, 진상기간에 비례하며, 전체 커패시턴스로 나눈 커패시턴스 변화율에 비례한다. 초기응답은 또한 루프회로의 고유주파수에 반비례하기도 하는데, 이렇게 되면 회로교정이 늦을수록 응답이 커짐이 예상된다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서회로(40)의 블록도로서, 도 1에 도시된 회로(10)와 관련해 동일한 부분에는 동일한 번호로 표시했다. 이 실시예의 회로(40)에서, 트리거는 전압비교기(42)를 기본으로 한다. 이것은 다른 검출법으로서 PLL(12)의 제어회로를 이용한다. 동작은 다음과 같다. 도 1에 도시된 실시예의 회로(10)와 마찬가지로, 평균제어전압은 분할 뒤에 기준발진기(32)와 같은 주파수로 VCO(22)를 동작시키는데 필요한 전압이다. 그러나, 이 실시예에서는 위상지연망이 없고, 대신에 위싱이동에러에 의해 위상차가 제로로 수정될 때까지 위상/주파수 비교기(24)가 제어전압(102)을 증감시킨다. 이 회로(40)에서, 위상/주파수 비교기(24)로부터의 위상에러신호는 RC 네트웍을 포함한 제1 루프필터(44)와 RC 네트웍을 포함한 제2 루프필터(105)에 의해 필터링되는데, 제2 루프필터는 첫번째 RC 네트웍보다 훨씬 긴 시정수를 갖고 비교기(42)에 전압기준을 제공한다. 감지전극(14,16)의 활성영역내에서 움직이는 물체을 검출하여 제어전압(102)이 비교기(42)에서 소정 양방향 전압임계치에 도달하면, 비교기(42)가 동작하여 센서출력 트리거신호를 발생시킨다.

동작주파수

비누 디스펜서(도시 안됨)용 센서의 동작주파수는 VCO 주파수로서 약 0.5㎒이다(실제 주파수는 기준발진기 주파수 32.768㎑의 16배로서 0.5244㎒임). 이 주파수는 도체에 반대되는 유전체로서 그리고 한편으로는 활성영역에 변화를 주거나 일 반 성능을 줄 수 있는 유전체로서 센서에 의해 항상 사람의 손을 검출하기에 충분히 높게 설정된다. 디스펜서를 작동시키는 개인이 전기적으로 접지되거나 안될 수도 있다는 사실로 인해 문제가 생긴다. 예컨대, 작동자는 비누를 요구하는 중에 때때로 한쪽 손을 세면대나 수도꼭지 같은 접지 금속체에 접촉할 수도 있고, 또는 흐르는 물을 통해 전기적으로 접지될 수도 있다.

인간의 손을 유전체로서 검출하려면, 주파수가 신체의 무전하 휴식시간을 초과해야 한다. 이 시간은 접지될 피부의 저항 오옴과 신체의 용량인 패럿(F; Farad)의 곱으로부터 결정된다. 성인의 커패시턴스는 50pF 정도이다. 양쪽손 사이의 피부 저항은 100㏀ 내지 수 ㏁ 사이에 있다. 따라서, RC 시정수는 0.2 ㎒의 주파수에 상당하는 5㎲ 정도로 짧을 수 있다. 따라서, 적당한 여유를 주기 위해 0.5㎒의 동작주파수를 선택했다.

다른 적용례로 수도꼭지 제어가 있다. 용량센서를 수도꼭지 제어용으로 효과적으로 사용하려면 10㎒ 이상의 높은 주파수가 필요하다. 이에 대해서는 미국특허 5,730,165에 언급되어 있다. 그 이유는 RC 시정수에 있고 세면대 주변의 더 높은 도전율과 관련이 있다.

필요하다면 이 센서의 디자인을 더 높은 주파수에서 동작하도록 변경하는데 아무 문제가 없다. 사실상, 작동주파수에 관한 한, PLL 소자의 현재 기술수준으로는 GHz 영역까지 확장된다. 따라서, "당업자"라면 응용례에 따라 GHz까지의 필요한 주파수에서 동작하도록 디자인을 변경할 수 있을 것이다.

도 4에 도시된 모의 비누 디스펜서 베이스(50)에 형성된 전극(14,16)은 구리 호일로 이루어져 서로 떨어져 있고 그 사이에 전기장을 형성한다. 이렇게 전극을 나란히 배치하면, 두개의 전극 사이에서 전극면으로부터 뻗어나가 두개 전극 사이에서 휘어지는 전기장이 생긴다. 베이스(52)에는 차폐전극이 있고, 이 경우 차폐전극은 구리호일로 구성되고 베이스(52) 외측면에 감긴다.

이런 구성에서, 손과 같은 유전체가 전기장내에 존재하면 용량이 변화하기 때문에 전기장의 강도는 전극(14,16)에서의 거리에 따라 비선형으로 감소한다. 이렇게 나란히 배치한 구성으로 인해, 일명 가장자리 영역(fringing field)이 생기고, 이런 전극구성을 갖는 센서를 가장자리 영역형 용량센서라 할 수 있다. 전기장의 강도는 전극(14,16)의 폭의 합, 이 경우 약 3인치를 넘는 거리의 가장자리 영역에서 급격히 감소한다. 전후방 거리는 3.1인치이고, 측면 거리는 3.25인치이며, 전극 간격은 약 0.5인치이고, 전극들과 차폐림 사이의 간격은 모든 부분에서 약 1/4인치이다.

모의 베이스로부터 손의 거리가 달라지면서 생기는 용량변화를 측정했다. 도 5에는 차폐전극(52)이 있을 때와 없을 때 베이스(50)에서의 수직 거리 변화에 따른 성인의 손에 대한 용량변화를 보여준다. 접지된 차폐전극(52)에 대해서는 두가지 기술적 효과가 있다. 첫째, 감지전극의 전체 커패시턴스가 몇 pF 상승한다. 둘째, 감지영역에서 떨어진 전기장의 일부를 차폐전극이 분류시켜 일정 거리내에서는 용량이 감소된다. 이런 현상은 감지전극에 접지 차폐전극이 근접해 있을 경우에는 어쩔 수 없고 도 5의 데이타에서도 확인된다.

따라서, 이런 특정 물리적 구조물에 대해서는, 차폐의 조건은 센서에 필요한 감도를 증가시키는데 있으며, 제시된 시험데이타에서 확인한 것처럼 센서는 필요한 감도를 갖는다. 비슷한 차폐전극을 필요로 하는 이런저런 비슷한 응용례에서 감도에 문제가 있으면, 더 낮은 감도를 필요로 하는 다른 구성을 채택하여 차폐전극을 분할하고 두쪽의 차폐전극을 감지전극과 같은 전압에서 구동시킨다.

센서 특성 및 벤치테스트 데이타

데이타는 다음 카테고리에 들어간다:

- 특성 대비 공지된 작은 커패시턴스 변화율

- 특성 대비 위의 모의 베이스 위에서의 손의 움직임에 대한 응답.

동적 시뮬레이션 및 테스트 데이타

손 동작을 나타내는 다른 시간대에서 생기되 시간에 따라 램프 형태인 각각 다른 용량변화율에서 기존의 재생 용량변화를 일으키는 수단으로서 그리고 특성화에 사용된 테스트 배열을 구성했다. 두개의 평평한 평행 전극으로 구성된 평행한 판형 커패시터를 기초로 하되, 판의 크기는 5cmX5cm이고 그 간격은 1cm로 했다. 내부적으로 커패시턴스를 증가시키기 위해 두께 1mm, 3/8 인치의 정사각형 순수 용융 실리카로 이루어진 유전체 테스트 샘플을 사용했다. 이 재료의 유전상수는 3.8이다.

이런 샘플을 커패시터의 전기장 영역에 삽입해서 생기는 용량 증분값은 이 구조물과 테스트 샘플의 크기가 실제로 정확하고 전기장이 균일하다고 할 경우 6.3fF로 계산되었다. 샘플을 일정한 속도로 전기장 영역에 삽입하고 제거하는 수단을 고안했다. 이것은 전기장 간극을 가로질러 소정 RPM의 소형 전동기로 회전되는 얇은 플라스틱 디스크에 샘플을 장착한 것이다. 따라서, 이런 구성은 손동작으로 인한 커패시턴스 변화율을 시뮬레이션하는 수단을 제공한다.

플라스틱 디스크의 가장 바깥쪽 가장자리에 테스트샘플을 위치시키고 다음과 같은 모터의 RPM을 적용했다. 매회전시마다, 전극판 사이의 전계로 샘플이 들어갈 때는 양의 dC/dt가, 샘플이 나갈때는 음의 dC/dt가 생겼다.

RPM	ω, 라디안/초	속도, cm/s	기간, ms	dC/dt, fF/s
13.5	1.42	7.9	140	45
23	2.41	13.4	82	77
32	3.35	18.6	59	107

매 회전마다 한번씩 양의 dC/dt와 음의 dC/dt가 생기기때문에, 이 구성에서는 각각 다른 dC/dt 크기에 대한 감도를 트리거하고 각각 다른 -dC/dt에 대한 의사트리거를 하는 센서 테스트가 가능하다. 비누 디스펜서에 적용하기 위해서는 활성영역에서 손을 뺄 때는 센서가 트리거하지 않아야 하기때문에 이런 구성이 유리하다.

다음 데이타는 각각의 속도에 대해 약 100회전하여 얻은 데이타이다.

RPM	트리거율, %	의사 트리거율, %
13.5	34	0
23	91	0
32	100	0

종래의 테이블의 데이타와 함께 취한 이들 데이타에 의하면, 센서는 82ms 기간에서 +77fF/s를 넘을 경우 민감하고 59ms 기간에서 +107fF/s의 경우에는 이들 테스트에서 100%(-1%)이다.

이 데이타에서 확인된 바에 의하면, 손이 아닌 다른 유전체의 움직임도 센서가 쉽게 검출할 수 있다. 이 데이타에 의하면, 또한 감지전극들이 평행 판형 형태 로 배치되어도 센서가 작동함이 확인된다.

손동작 테스트 데이타

비접촉 비누 디스펜서에 활용하기에 적합하다는 증거를 더 찾기 위해, 도 4에 도시된 것과 같이 감지전극에 가장자리 영역이 있고 차폐전극을 갖는 모의 비누디스펜서를 이용해 일련의 손동작 테스트를 실시했다.

도 5에 따르면, 3인치, 2인치, 1인치의 거리에서 센서를 작동시키도록 수직으로 접근시켜 신뢰성 있는 동작에 대해 필요한 손의 속도를 개략적으로 측정할 수 있었다. 다음 동일한 손에 대한 실제 데이타와 기술적 추정치를 비교할 수 있었다. 아래 곡선은 손으로 인한 커패시턴스 변화가 3인치 거리에서 약 5fF, 2인치에서는 약 12fF, 1인치에서는 약 39fF임을 보여준다. 이 변화는 약 5인치의 초기 손까지의 거리와 3인치의 활동거리 사이에 생긴다고 추측된다. 변화율이 약 100fF/s 되려면, 손의 속도를 100*2/5 인치/초 = 3인치 거리에서의 활동(50ms 기간)에 대해 40 인치/초, 약 100*2/12 인치/초 = 2인치에서의 활동(120ms 기간)에 대해 17 인치/초, 약 100*2/39 = 1인치(444ms)에 대해 5인치/초로 할 필요가 있다. 5인치/초는 아주 느린 속도이지만 25-40 인치/초가 더 일반적이다.

센서회로를 모의 베이스에 연결하고 정상속도로 판단된 속도로 베이스를 향해 움직이는 손동작을 테스트했고 손이 이미 활성영역에 있을 때의 반복동작에 대한 테스트를 하되, 각 경우에 대해 10회 실시했다.

테스트: 손을 활성영역을 향해 옆으로 움직였다

거리(인치) 동작수 의사 트리거

3 4 0

2.5 10 0

2 10 0

테스트: 손을 활성영역을 향해 수직으로 움직였다

거리(인치) 동작수 의사 트리거

3 4 0

2.5 8 0

2 10 0

테스트: 손을 활성영역 내부에서 3/4인치에서 1인치까지 수직으로 움직였다

거리(인치) 동작수 의사 트리거

4 3 0

3.5 6 0

3 10 0

2.5 10 0

위의 테스트는 손을 평평하고 수평으로 유지하도록 해야한다는 점에서 기술적이지만, 일반적인 비누 디스펜서 사용자들은 그렇지 않으므로, 손의 속도가 중요한 인자이지만, 이것은 일반적인 판단기준일 뿐이고 실제 사용에서는 변할 수 있다. 이들 데이타에 따르면, 효과적인 활동거리는 2.5인치에서 3인치까지이고, 이 값은 기술적인 추정치와 일치한다고 볼 수 있다. 마찬가지로, 의사트리거가 제로임은 손을 뺄때는 센서가 전혀 가동되지 않았음을 의미한다.

회로(10)에서 나오는 전류는 낮아 저전압에서 1mA 보다 작다. 이것은 알카리 전지를 이용한 오랜 작동에 적당함을 보여준다. 이렇게 되면, 빈번한 전지교환을 할 필요 없이 장기간 연속 동작하도록 된 배터리 작동식 장치에 적용하기에 유리하다.

이상 설명한 것은 어디까지나 본 발명을 예로 든 것일 뿐이고, 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 따라서, 당업자가 예상할 수 있는 모든 변형이나 변경이나 등가물은 첨부된 특허청구범위에서 정의된 본 발명의 범위에 포함되어야 한다고 본다.

Claims (24)

1. 장치의 동작을 제어하기 위한 용량센서 시스템에 있어서:

   근접 물체의 움직임을 포착하기 위한 전기장을 형성할 수 있는 감지전극들; 및

   감지전극의 용량변화가 아닌, 전기장내의 근접 물체의 움직임에 의한 용량변화율에 응답해 제어출력신호를 제공하는 전자회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 전자회로가,

   VCO(voltage controlled oscillator)를 포함하고, 상기 감지전극에 연결되어 감지전극에 동작주파수를 제공하는 PLL(phase locked loop);

   고정 기준주파수를 제공하기 위한 고정 기준주파수 발진기;

   VCO 주파수와 고정 기준주파수를 비교하기 위한 위상/주파수 비교기;

   루프가 위상고정될 때 VCO 주파수와 고정 기준발진주파수 사이의 위상차를 변화시키기 위한 위상지연회로;

   위상/주파수 비교기의 위상 에러신호를 적분하여 루프의 동적응답을 정의하기 위한 루프필터; 및

   고정 기준주파수와 동작주파수 사이의 위상차 변화에 응답해 제어출력신호를 제공하는 위상 감응 트리거회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
3. 제2항에 있어서, 양의 용량변화율로 장치의 동작을 제어하기 위해 VCO 주파수가 고정 기준주파수보다 앞서도록 상기 위상지연회로가 동작하는 것을 특징으로 하는 시스템.
4. 제2항에 있어서, 음의 용량변화율로 장치의 동작을 제어하기 위해 VCO 주파수가 고정 기준주파수보다 지연되도록 상기 위상지연회로가 동작하는 것을 특징으로 하는 시스템.
5. 근접 물체의 움직임으로 인한 용량변화율에 응답해 장치의 동작을 제어하기 위한 용량성 센서시스템에 있어서:

   서로 이격되게 배치되어 그 사이에 바깥쪽으로 뻗는 전기장을 형성하기 위한 두개 이상의 감지전극들;

   VCO(voltage controlled oscillator)를 포함하고, 상기 감지전극에 연결되어 감지전극에 동작주파수를 제공하는 PLL(phase locked loop);

   고정 기준주파수를 제공하기 위한 고정 기준주파수 발진기;

   고정 기준주파수와 VCO 주파수를 비교하기 위한 위상/주파수 비교기;

   루프가 위상고정될 때 VCO 주파수와 고정 기준발진주파수 사이의 위상차를 변화시키기 위한 위상지연회로;

   위상/주파수 비교기의 위상 에러신호를 적분하여 루프의 동적응답을 정의하기 위한 루프필터; 및

   고정 기준주파수와 동작주파수 사이의 위상차 변화에 응답해 제어출력신호를 제공하는 위상 감응 트리거회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
6. 제5항에 있어서, 양의 용량변화율로 장치의 동작을 제어하기 위해 VCO 주파수가 고정 기준주파수보다 앞서도록 상기 위상지연회로가 동작하는 것을 특징으로 하는 시스템.
7. 제5항에 있어서, 음의 용량변화율로 장치의 동작을 제어하기 위해 VCO 주파수가 고정 기준주파수보다 지연되도록 상기 위상지연회로가 동작하는 것을 특징으로 하는 시스템.
8. 제5항 내지 7항중의 어느 한 항에 있어서, 감지전극이 물체를 유전물질로 검출토록 하는 동작주파수를 상기 전압제어 발진기가 감지전극에 제공하는 것을 특징으로 하는 시스템.
9. 제8항에 있어서, 전압제어 발진기가 1㎒ 미만의 동작주파수를 제공하여 인간의 손동작으로 비누 디스펜서를 동작시키는 것을 특징으로 하는 시스템.
10. 제8항에 있어서, 전압제어 발진기가 10㎒ 보다 높은 동작주파수를 제공하여 인간의 손동작으로 비누 디스펜서를 동작시키는 것을 특징으로 하는 시스템.
11. 제5항에 있어서, 상기 전극들이 평면 관계로 배치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
12. 제11항에 있어서, 상기 감지전극들 둘레에 감지전극들에 이격되게 배치된 접지 차폐전극을 더 포함하고, 이 차폐전극은 감지전극들에 수직인 평면상에 있으면서 설정된 전기장 반대쪽으로 뻗는 것을 특징으로 하는 시스템.
13. 제11항에 있어서, 상기 감지전극에 평행한 평면상에 배치된 접지 차폐전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
14. 제5항에 있어서, 상기 트리거회로가 D-플립 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
15. 근접 물체의 움직임으로 인한 용량변화율에 응답해 장치의 동작을 제어하기 위한 용량성 센서시스템에 있어서:

    서로 이격되게 배치되어 그 사이에 바깥쪽으로 뻗는 전기장을 형성하기 위한 두개 이상의 감지전극들;

    VCO를 포함하고, 상기 감지전극에 연결되어 감지전극에 동작주파수를 제공하는 PLL;

    고정 기준주파수를 제공하기 위한 고정 기준주파수 발진기;

    위상/주파수 비교기의 위상 에러신호를 적분하여 루프의 동적응답을 정의하기 위한 루프필터; 및

    고정 기준주파수와 동작주파수 사이의 위상차 변화에 응답해 제어출력신호를 제공하고, 한쪽이 VCO에 연결되어 있는 전압비교기와, 위상/주파수 비교기와 전압비교기 사이에 연결된 시정수 루프필터를 포함하는 위상 감응 트리거회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
16. 근접 물체의 움직임으로 인한 용량변화율에 응답해 장치의 동작을 제어하기 위한 용량성 센서시스템에 있어서:

    서로 이격되게 배치되어 그 사이에 전기장을 형성하기 위한 두개 이상의 감지전극들;

    VCO를 포함하고, 상기 감지전극에 연결되어 감지전극에 동작주파수를 제공하는 PLL;

    고정 기준주파수를 제공하기 위한 고정 기준주파수 발진기;

    고정 기준주파수와 VCO 주파수를 비교하기 위한 위상/주파수 비교기;

    상기 위상/주파수 비교기와 전압제어발진기(VCO) 사이에 연결되어 전압제어발진기를 기준발진기보다 앞서서 구동시키는 위상지연회로; 및

    고정 기준주파수와 동작주파수 사이의 위상차 변화에 응답해 제어출력을 제공하는 트리거회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
17. 제16항에 있어서, 감지전극이 물체를 유전물질로 검출토록 하는 동작주파수를 상기 전압제어 발진기가 감지전극에 제공하는 것을 특징으로 하는 시스템.
18. 제17항에 있어서, 전압제어 발진기가 1㎒ 미만의 동작주파수를 제공하여 인간의 손동작으로 비누 디스펜서를 동작시키는 것을 특징으로 하는 시스템.
19. 제17항에 있어서, 전압제어 발진기가 10㎒ 보다 높은 동작주파수를 제공하여 인간의 손동작으로 비누 디스펜서를 동작시키는 것을 특징으로 하는 시스템.
20. 제19항에 있어서, 상기 감지전극들 둘레에 감지전극들에 이격되게 배치된 접지 차폐전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
21. 제16항에 있어서, 상기 트리거회로가 D-플립 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
22. 제5항, 15항 또는 16항에 있어서, 상기 위상/주파수 비교기와 VCO 사이에 연 결되어 고정 기준주파수와 VCO 동작주파수 사이의 위상차를 +90도 와 -90도 사이로 유지하기 위한 적응 피드백 경로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
23. 제5항, 15항 또는 16항에 있어서, 각각의 감지전극과 VCO 사이에 연결된 RF 감쇠필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
24. 제5항, 15항 또는 16항에 있어서, 상기 VCO와 위상/주파수 비교기 사이에 연결된 분주기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.

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