KR101971732B1 - 광학식 먼지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광원에 대한 수광부의 출력신호 레벨을 일정하게 유지하기 위하여, 상기 광원의 광량을 펄스폭 변조(pulse width modulation) 신호를 이용하여 제어함으로써 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 광학식 먼지 센서를 제공한다.

Description

광학식 먼지 센서{Optical dust sensor}
본 발명은 먼지 센서에 관한 것으로서, 더 상세하게는 광학식 먼지 센서에 관한 것이다.
먼지 센서는 외부에서 유입된 먼지가 히터의 발열에 의한 상승기류를 타고 측정영역을 지나가게 되면 LED와 같은 발광소자로부터 조사되는 광이 먼지에 의해 산란되고 그 일부가 광 검출기에서 감지되는 원리로 동작한다.
종래의 광학식 먼지 센서는 먼지 농도가 적은 경우 정밀하게 측정이 어려운 문제점이 있으며, 높은 더스트 농도에서는 포화되어 측정이 불가능한 현상이 발생하게 된다. 또한, 광원인 적외선 발광다이오드(infrared light emitting diode, IRLED)의 수명에 따라 일정한 광량을 방출하는 것이 용이하지 않아 먼지 농도의 측정에 오차가 발생하는 문제점이 나타난다.
관련 선행기술로는 대한민국 공개공보 제20170033052호(2017년3월24일 공개, 발명의 명칭:먼지 센서)가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 광원의 광량 조절이 가능하고 먼지의 크기별로 구분 검출이 가능한 광학식 먼지 센서를 제공하고자 한다. 그러나, 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따른 광학식 먼지 센서를 제공한다. 상기 광학식 먼지 센서는 적어도 하나의 발광소자를 포함하는 광원; 상기 발광소자와 전기적으로 연결되며 펄스폭 변조(pulse width modulation) 신호를 이용하여 상기 광원의 광량을 조절할 수 있는, 광량 제어부; 상기 광원으로부터 출력된 광이 먼지에 의하여 산란된 산란광을 수신하는 센서를 구비하고, 수신된 상기 산란광의 광학적 신호를 전기적 신호인 제 1 출력신호로 변환하여 출력하는 수광부; 및 상기 제 1 출력신호를 수신하여 상기 제 1 출력신호가 일정한 레벨로 유지되는지 여부를 판단하고, 상기 펄스폭 변조 신호의 듀티비를 조정할 수 있는, 마이크로 컨트롤러; 를 포함한다.
상기 광학식 먼지 센서에서, 상기 광량 제어부는 저항 소자 및 상기 펄스폭 변조 신호가 입력되는 스위칭 소자를 포함하되, 상기 발광소자와 전기적으로 연결되는 상기 저항 소자와 상기 스위칭 소자는 병렬 연결될 수 있다.
상기 광학식 먼지 센서는, 상기 수광부의 제 1 출력신호를 증폭하여 상기 먼지를 검출하기 위한 제 2 출력신호를 생성하는 증폭부;를 더 포함하고, 상기 마이크로 컨트롤러는 상기 제 2 출력신호를 수신하여 오염도를 출력하기 위한 신호를 생성할 수 있다.
상기 광학식 먼지 센서에서, 상기 증폭부는 상기 수광부의 제 1 출력신호를 증폭하여 상대적으로 큰 입자의 먼지를 검출하기 위한 큰먼지검출 출력신호를 생성하는 제 1 증폭부; 및 상대적으로 작은 입자의 먼지를 검출하기 위한 작은먼지검출 출력신호를 생성하는 제 2 증폭부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 광학식 먼지 센서를 제공한다. 상기 광학식 먼지 센서는 광원에 대한 수광부의 출력신호 레벨을 일정하게 유지하기 위하여, 상기 광원의 광량을 펄스폭 변조(pulse width modulation) 신호를 이용하여 제어함으로써 일정하게 유지하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광원의 광량 조절이 가능하고 먼지의 크기별로 구분 검출이 가능한 광학식 먼지 센서를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 먼지 센서의 구성 및 동작을 도해하는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 먼지 센서 일부의 회로 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 먼지 센서의 개요도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 먼지 센서에서 먼지의 크기별로 구분 검출을 하는 구성을 도해하는 도면이다.
도 5 및 도 6은 펄스폭 변조(PWM) 제어 방식을 도해하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 비교예에 따른 광학식 먼지 센서 일부의 회로 구성도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 먼지 센서의 구성 및 동작을 도해하는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 먼지 센서 일부의 회로 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 먼지 센서의 개요도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 먼지 센서(10)는 적어도 하나의 발광소자(예를 들어, LED)를 포함하는 광원(100); 발광소자(LED)와 전기적으로 연결되며 펄스폭 변조(pulse width modulation, PWM) 신호를 이용하여 광원(100)의 광량을 조절할 수 있는, 광량 제어부(200); 광원(100)으로부터 출력된 광이 먼지(D)에 의하여 산란된 산란광을 수신하는 센서(예를 들어, photo diode)를 구비하고, 수신된 상기 산란광의 광학적 신호를 전기적 신호인 제 1 출력신호로 변환하여 출력하는 수광부(300); 및 상기 제 1 출력신호를 수신하여 상기 제 1 출력신호가 일정한 레벨로 유지되는지 여부를 판단하고, 상기 펄스폭 변조 신호의 듀티비를 조정할 수 있는, 마이크로 컨트롤러(600); 를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 먼지 센서(10)는 외부에서 유입된 먼지(D)가 히터(700)의 발열에 의한 상승기류를 타고 측정영역을 지나가게 되면 LED와 같은 광원(100)으로부터 조사되는 광이 먼지(D)에 의해 산란되고 그 일부가 포토 다이오드와 같은 수광부(300)에서 감지되는 원리로 동작한다.
광원(100)은, 예를 들어, 적외선 발광 다이오드(IRLED)일 수 있으며, 광량 제어부(200)의 제어에 의해 광량 조절이 가능하게 구성될 수 있다.
광량 제어부(200)는 광원(100)을 구성하는 발광소자(LED)와 전기적으로 연결되며 펄스폭 변조(pulse width modulation, PWM) 신호를 이용하여 광원(100)의 광량을 조절할 수 있다. 구체적으로, 광량 제어부(200)는 저항 소자(R2) 및 펄스폭 변조(PWM) 신호가 입력되는 스위칭 소자를 포함하되, 발광소자(LED)와 전기적으로 연결되는 상기 저항 소자(R2)와 상기 스위칭 소자는 병렬 연결될 수 있다.
예를 들어, 스위칭 소자는, 도 2에 도시된 것처럼, 이미터, 콜렉터, 베이스 단자를 구비하는 트랜지스터일 수 있다. 즉, 화살표가 표시된 단자가 이미터이며, 반대편 단자는 콜렉터이며, 중간단자가 베이스인 트랜지스터일 수 있다. 화살표는 이미터 전류방향을 나타낼 수 있다. 펄스폭 변조(PWM) 신호는 베이스 단자로 입력될 수 있다.
펄스폭 변조(PWM) 신호가 스위칭 소자에 입력되는 지 여부에 따라 스위칭 소자의 온오프가 결정되고, 병렬로 연결되는 스위칭 소자와 저항 소자에 흐르는 전류에 따라 광원에 흐르는 전류의 크기가 달라진다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 먼지 센서(10)는 수광부(300)의 제 1 출력신호를 증폭하여 먼지(D)의 유무 또는 농도를 검출하기 위한 제 2 출력신호를 생성하는 증폭부(400, 500)를 더 포함한다. 마이크로 컨트롤러(600)는 상기 제 2 출력신호를 수신하여 오염도를 출력하기 위한 신호를 생성할 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 증폭부(400, 500)는 수광부(300)의 제 1 출력신호를 증폭하여 상대적으로 큰 입자의 먼지를 검출하기 위한 큰먼지검출 출력신호를 생성하는 제 1 증폭부(400) 및 상대적으로 작은 입자의 먼지를 검출하기 위한 작은먼지검출 출력신호를 생성하는 제 2 증폭부(500)를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 먼지 센서에서 먼지의 크기별로 구분 검출을 하는 구성을 도해하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 큰 먼지 검출을 위하여 1차 증폭을 한 후에 작은 먼지 검출을 위하여 2차 증폭을 한다. 1차 증폭 후에 검출 레벨 이상의 S1, S3 신호가 큰먼지검출 출력신호에 해당하며 이들 신호를 출력할 수 있다. 또한, 상기 큰먼지검출 출력신호를 마이크로 컨트롤러(600)를 이용하여 제거한 후에 검출 레벨 이상의 S2, S4, S5 신호가 작은먼지검출 출력신호에 해당하여 이들 신호를 출력할 수 있다. 즉, 수광부(300)의 출력신호를 1차 증폭 후 큰 먼지를 검출하고, 2차 증폭 후 작은 먼지를 검출하여 오염도를 출력함으로써 먼지의 크기별로 구분 검출이 가능한 광학식 먼지 센서를 구현할 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 먼지 센서(10)는 펄스폭 변조(PWM) 신호를 이용한 광원의 광량 조절이 가능하고 먼지의 크기별로 구분 검출이 가능한 것이 특징이다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 먼지 센서(10)는 수광부의 출력신호의 레벨을 일정하게 유지하기 위하여 광원의 광량을 펄스폭 변조(PWM) 신호를 이용하여 제어하여 일정하게 유지하고 수광부의 출력신호를 1차 증폭 후 큰 먼지를 검출하고 2차 증폭 후 작은 먼지를 검출하여 오염도를 출력한다.
이하에서는 펄스폭 변조(PWM) 제어 방식을 사용하는 본 발명의 실시예와 펄스폭 변조(PWM) 제어 방식을 사용하지 않는 본 발명의 비교예를 대비하여 설명한다.
도 5 및 도 6은 펄스폭 변조(PWM) 제어 방식을 도해하는 도면이다.
도 5를 살펴보면, 펄스폭 변조(PWM)는 콤퍼레이터(전압비교회로 또는 OP앰프)의 (+)단자에 예를 들어, 삼각파 또는 톱니파를 입력하고 (-)단자에 제어신호를 입력한다. 그러면, 콤퍼레이터의 출력에는 입력신호의 레벨 변화에 따라 펄스 폭이 다른 출력이 나타나는 바, 이것이 펄스폭 변조(PWM) 신호에 해당한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 먼지 센서(10)에서 이러한 펄스폭 변조(PWM) 신호는 트랜지스터와 같은 스위칭 소자에 입력될 수 있다.
도 6을 살펴보면, 펄스폭 변조(PWM) 출력과 제어 입력신호와의 관계를 알 수 있다. 입력신호가 삼각파(또는 톱니파) 신호 보다 높은 경우, 콤퍼레이터 출력으로 드라이브되면 트랜지스터는 온(ON)되고, 반대의 경우는 오프(OFF)된다. 또한, 삼각파 신호와 입력신호의 입력단자를 반대로 하면 결과도 반대로 된다. 펄스폭 변조(PWM) 신호는 주기가 일정하고 입력신호(DC레벨)의 크기에 따라서 펄스폭의 듀티 사이클(펄스폭의 "H"와 "L"의 비)이 변화할 수 있다. 입력신호의 변화가 경사를 가지는 (a)의 경우, 하단 그래프에서 초반부의 펄스폭 변조(PWM) 신호의 듀티는 후반부의 펄스폭 변조(PWM) 신호의 듀티 보다 상대적으로 작다. 한편, 입력신호가 도중에 일정한 레벨을 가지는 (b)의 경우, 하단 그래프에서 초반부의 펄스폭 변조(PWM) 신호의 듀티는 후반부의 펄스폭 변조(PWM) 신호의 듀티 보다 상대적으로 크다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 먼지 센서(10)에서는 광량이 줄어들 경우 펄스폭 변조(PWM) 신호의 듀티비를 조정하여 광량을 증가시키는 방식을 채택하여 수광부의 성능을 일정하게 유지시킬 수 있다. 즉, 증폭 이전의 수광부의 출력신호를 일정한 레벨로 유지시키기 위하여 수광부의 출력을 마이크로 컨트롤러로 인식 후 광원의 출력을 펄스폭 변조(PWM) 신호 제어를 통하여 조절한다.
도 7은 본 발명의 비교예에 따른 광학식 먼지 센서 일부의 회로 구성도이다.
도 7을 참조하면, 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 먼지 센서와 달리, 광량 제어부(210)에 펄스폭 변조(PWM) 신호가 입력되지 않고 광량 제어부(210)가 복수개의 저항들(R21, R22, R23)로만 병렬로 연결되어 구성된다. 이 경우, 광량이 줄어들 경우 3개의 저항을 순차적으로 켜는 방식을 채용하므로 수광부의 출력을 정해진 단계로만 조절 가능하다는 단점을 가진다. 이에 반하여, 본 발명의 실시예는 펄스폭 변조(PWM) 신호의 듀티비를 조정함을써 광량을 조절하여 수광부의 출력을 항상 일정하게 유지시킬 수 있다는 유리한 효과를 기대할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 광학식 먼지 센서
100 : 광원
200 : 광량 제어부
300 : 수광부
400 : 제 1 증폭부
500 : 제 2 증폭부
600 : 마이크로 컨트롤러

Claims (5)

  1. 적어도 하나의 발광소자를 포함하는 광원;
    상기 발광소자와 전기적으로 연결되며 펄스폭 변조(pulse width modulation) 신호를 이용하여 상기 광원의 광량을 조절할 수 있는, 광량 제어부;
    상기 광원으로부터 출력된 광이 먼지에 의하여 산란된 산란광을 수신하는 센서를 구비하고, 수신된 상기 산란광의 광학적 신호를 전기적 신호인 제 1 출력신호로 변환하여 출력하는 수광부;
    상기 제 1 출력신호를 수신하여 상기 제 1 출력신호가 일정한 레벨로 유지되는지 여부를 판단하고, 상기 펄스폭 변조 신호의 듀티비를 조정할 수 있는, 마이크로 컨트롤러; 및
    상기 수광부의 제 1 출력신호를 증폭하여 상기 먼지를 검출하기 위한 제 2 출력신호를 생성하는 증폭부;를 포함하되,
    상기 증폭부는 상기 수광부의 제 1 출력신호를 증폭하여 상대적으로 큰 입자의 먼지를 검출하기 위한 큰먼지검출 출력신호를 생성하는 제 1 증폭부; 및 상대적으로 작은 입자의 먼지를 검출하기 위한 작은먼지검출 출력신호를 생성하는 제 2 증폭부;를 포함하며,
    증폭 이전의 상기 수광부의 출력신호를 일정한 레벨로 유지시키기 위하여 상기 수광부의 출력을 상기 마이크로 컨트롤러로 인식 후 상기 광원의 출력을 펄스폭 변조 신호 제어를 통하여 조절하되, 상기 펄스폭 변조 신호의 듀티비를 조정하는 것은 콤퍼레이터의 (+)단자에 삼각파 또는 톱니파를 입력하고 (-)단자에 레벨 변화에 따른 제어 입력 신호를 입력함으로써 구현되는 것을 특징으로 하는,
    광학식 먼지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광량 제어부는 저항 소자 및 상기 펄스폭 변조 신호가 입력되는 스위칭 소자를 포함하되, 상기 발광소자와 전기적으로 연결되는 상기 저항 소자와 상기 스위칭 소자는 병렬 연결된, 광학식 먼지 센서.
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  4. 삭제
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