KR102181632B1 - 창문으로부터 물을 제거하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

창문으로부터 물을 제거하기 위한 장치는 창문에 결합하기 위한 하나 이상의 트랜스듀서를 포함한다. 하나 이상의 트랜스듀서의 각각은 개별적인 파형을 생성하도록 복수의 상이한 주파수들 중 임의의 선택된 주파수에서 작동가능하다. 주파수 생성기(925)는 복수의 상이한 주파수로 하나 이상의 트랜스듀서에 신호(926)를 구동한다. 모드 컨트롤러(930)는 복수의 상이한 주파수 및 파형으로부터 임의의 선택된 주파수 및 파형의 창문 초음파에 적용하기 위하여 전극(210)의 생성기(925) 및 트랜스듀서 구성을 제어한다.

Description

창문으로부터 물을 제거하기 위한 장치 및 방법{AN APPARATUS AND METHOD FOR CLEARING WATER FROM A WINDOW}

본 발명은 창문으로부터 물을 제거하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

창문은 그를 통해 깨끗한 시야를 유지하도록 수동으로 세정될 수 있다. 차량 에서, 와이퍼는 물방울을 제거하고 창문을 세정하기 위하여 사용된다. 와이퍼는 일반적으로 고무 또는 플라스틱으로 제조되고 창문 표면에 접촉하도록 배열되는 와이퍼 날을 갖는다. 와이퍼 날은 와이퍼가 창문 표면을 가로질러 스위핑(sweeping)하게 하기 위해 작동하는 모터를 동력으로 이용하는 메커니즘에 의해 구동된다. 날은 마모되어서 주기적으로 교체될 필요가 있다. 와이퍼 메커니즘은 무겁고, 비용이 많이 들고 또한 마모의 대상이 된다.

RainX(RTM)와 같은 상업적으로 이용가능한 제품은 창문의 더욱 수월한 세정을 위하여 창문의 표면에 도포될 수 있다. 그러나, 창문의 표면에 접촉하는 창문을 세정하는 방법은, 사용중에 창문 표면에 도포된 제품을 제거하여 이 제품의 추가 도포가 요하다.

본 발명의 일 측면에 있어서, 창문으로부터 물방울을 제거(clear)하기 위한 장치가 제공되며, 상기 장치는: 하나 이상의 트랜스듀서의 각각이 복수의 상이한 주파수 및 파형 중 임의의 선택된 주파수 및 파형으로 초음파를 생성하도록 작동가능한, 창문에 결합하기 위한 하나 이상의 트랜스듀서; 복수의 상이한 주파수로 트랜스듀서에 초음파 구동 신호를 제공하기 위한 생성기; 및 복수의 상이한 주파수 및 파형으로부터 임의의 선택된 주파수 및 파형의 초음파를 생성하도록 생성기 및 하나 이상의 트랜스듀서를 구성하기 위한 모드 컨트롤러를 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 상기 일 측면 중 임의의 하나의 장치를 사용하여 창문으로부터 물방울을 제거하는 방법이 제공되고, 상기 방법은: 초음파의 파형 및 상응하는 주파수를 선택하는 단계, 생성기가 선택된 주파수의 구동 신호를 생성하도록 하는 단계, 및 선택된 주파수로 작동하고 선택된 파형을 발생하도록 하나 이상의 트랜스듀서의 각각을 구성하는 단계를 포함한다.

본 발명은 물방울, 예컨대 비 및 기타 강수뿐만 아니라 불순물, 예컨대 흙과 같은 불순물로 오염된 물방울 및 윈드스크린 세정액에서 사용된 세제와 같은 첨가제를 포함하는 물을 제거할 수 있는 것이 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

본 발명의 추가 측면에 있어서, 하나 이상의 초음파 트랜스듀서를 구성하기 위한 구동 회로가 제공되고, 상기 구동 회로는 복수의 상이한 주파수로 상기 트랜스듀서에 초음파 구동 신호를 제공하기 위한 생성기 및 복수의 상이한 주파수 및 파형으로부터 임의의 선택된 주파수 및 파형의 초음파를 생성하도록 생성기 및 트랜스듀서를 구성하기 위한 모드 컨트롤러를 포함한다.

복수의 전극을 갖는 초음파 트랜스듀서용 구동 회로의 실시예는, 생성기를 전극에 선택적으로 연결하기 위한 스위치의 어레이 및 생성기의 작동의 주파수를 제어하고 스위치의 스위칭 상태를 선택하기 위하여 스위치 제어 신호를 생성하기 위한 모드 셀렉터를 포함한다.

구동 회로의 일 실시예에서, 주파수 생성기는 상이한 주파수의 동상 신호 및 180도 만큼 위상 이동된 동일한 주파수의 신호를 생성하도록 구성되며, 모드 컨트롤러는 선택된 주파수의 신호 및 180도 만큼 위상 이동된 동일한 신호를 발생하도록 생성기를 구성하며 트랜스듀서의 전극을 구성하도록 작동가능하여, 전극의 하나의 세트가 180도 만큼 위상 이동된 신호를 수신하고 또 다른 세트가 동상 신호를 수신한다.

특정 예시의 다수의 특징 및 장점은 상세한 설명으로부터 명백해질 것이며, 이하의 설명은 오직 예시로서 다수의 특징을 함께 설명하는 동반하는 도면과 관련하여 이해된다:
도 1은 창문을 세척하기 위한 방법의 예시를 도시하는 흐름도이다;
도 2a는 트랜스듀서의 예시의 개략도이다;
도 2b는 도 2a의 트랜스듀서의 측면의 개략도이다;
도 3a 내지 도 3c는 창문 상의 물방울을 향하여 초음파를 방출하는 트랜스듀서의 개략도이다;
도 4a는 전극의 구성의 예시를 도시하는 트랜스듀서의 측면도의 개략도이다;
도 4b는 트랜스듀서의 전극의 구성의 또 다른 예시를 도시하는 트랜스듀서의 개략적인 측면도이다;
도 4c는 모드 변환을 위하여 창문 상의 물방울을 향하여 창문의 표면을 따라 초음파를 방출하는 트랜스듀서를 예시로서 도시하는 개략도이다;
도 4d는 물방울의 이온화를 통해 창문의 표면으로부터 물방울을 제거하도록 창문의 표면을 따라 초음파를 방출하는 트랜스듀서를 예시로서 도시하는 개략도이다;
도 4e는 모드 변환 및 이온화를 통해 창문 표면으로부터 물방울을 제거하기 위하여 초음파가 창문 표면상의 물방울을 통과하도록 라미네이트된 창문의 표면을 따라 초음파를 방출하는 트랜스듀서를 예시로서 도시하는 개략도이다;
도 4f는 초음파가 모드 변환 및 원자화를 통해 창문 표면으로부터 물방울을 제거하기 위하여 초음파가 창문 표면상의 물방울을 통과하도록 가열 소자를 갖는 창문의 표면을 따라 초음파를 방출하는 트랜스듀서를 예시로서 도시하는 개략도이다;
도 5a 및 도 5b는 트랜스듀서의 전극의 구성의 기타 예시를 도시하는 트랜스듀서의 측면도의 개략도이다;
도 5c는 모드 변환을 위해 창문 상의 물방울을 통해 초음파를 방출하는 트랜스듀서를 예시로서 도시하는 개략도이다;
도 5d는 창문 표면을 따르는 물방울의 추진을 유도하기 위하여 모드 변환을 위하여 창문 상의 물방울을 통해 초음파를 방출하는 트랜스듀서를 예시로서 도시하는 개략도이다;
도 6a 및 도 6b는 트랜스듀서의 전극의 구성의 추가 예시를 도시하는 트랜스듀서의 측면도의 개략도이다;
도 6c는 물방울이 창문 표면과의 표면 장력을 극복하고 예시에 따라 창문 표면을 벗어나게 하기 위하여 창문 상의 물방울을 향하여 초음파를 방출하는 트랜스듀서를 도시하는 개략도이다;
도 6d는 물방울이 창문 표면을 떠나서 물방울과 창문 표면 사이를 통과하는 공기에 의해 제거될 수 있게 하기 위하여 창문 상의 물방울을 향해 초음파를 방출하는 트랜스듀서를 예시로서 도시하는 개략도이다;
도 7은 강수를 감지하고 제거하는 설명적인 방법의 흐름도이다;
도 8은 예시에 따라 유리 기판상의 초음파의 상이한 위상 속도에 대한 분산 특성을 도시하는 그래프이다;
도 9a는 트랜스듀서를 제어하고 작동시키기 위한 트랜스듀서 및 관련 회로의 예시의 개략도이다;
도 9b는 트랜스듀서 및 트랜스듀서를 제어하고 작동시키기 위한 관련 회로의 기타 예시의 개략도이며;
도 10a 및 도 10b는 트랜스듀서가 부착되는 윈드스크린을 갖는 차량의 개략도이다.

본 명세서에 기재된 특정 예시는 창문을 세정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 이 장치는 창문의 표면을 따라 또는 창문을 통해 전파하는 초음파를 방출하도록 배열된 트랜스듀서를 포함한다. 본 명세서에 기재된 특정 예시는 창문으로부터 강수를 초음파로 제거하는 것에 관한 것이다. "강수"라는 용어는 비, 진눈깨비, 눈, 얼음, 이슬비, 안개(mist), 수증기(fog), 헤일 또는 기타 형태의 강수를 포함하도록 의도된다. 초음파는 창문으로부터 강수를 제거한다. 트랜스듀서는 창문의 표면에 본딩될 수 있다.

설명의 편의를 위하여, 이하의 설명은 물방울을 지칭한다. 물방울을 제거하는 것은, 초음파를 사용하여 창문의 표면으로부터 물방울의 하나 이상의 진동, 추진 및/또는 이온화를 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명의 예시는 창문으로부터 기타 액체, 예컨대 물과 기타 물질 또는 오일의 혼합물 또는 용액과 같은 액체 퇴적물을 제거하기 위하여 사용될 수 있다. 고체 퇴적물은 물 또는 물과 예컨대 세제와 같은 첨가제의 혼합물 또는 용액에 의해 분사 또는 워싱되어서 그리고 이어서 창문을 초음파 세정하여 창문으로부터 제거될 수 있다.

창문은 선택적으로 가열 소자를 포함할 수 있다. 특정 경우에, 창문은 빌딩의 창문 또는 차량의 창문이 될 수 있다. 예컨대, 창문이 차량용 창문일 경우에, 창문은 자동차용 유리로 제조될 수 있다. 창문은 차량의 전방 윈드스크린, 후방 창문, 선루프 또는 측방 창문과 같은 차량용 창문이 될 수 있다. 창문은 라미네이트 층을 포함할 수 있고, 라미네이트 층은 유리의 상부층과 하부층 사이에 끼워진다. 예컨대, 라미네이트 층은 어닐링된 유리의 2개의 층 사이에서 압축되는 폴리비닐 부티랄(PVB)이 될 수 있다.

본 명세서에 기재된 특정 예시는 차량의 라미네이트된 윈드스크린 또는 후방 창문으로부터 물을 제거하는 것에 관한 것이다. 물은 라미네이트된 윈드스크린 또는 후방 창문으로부터 초음파식으로 제거된다.

용어 "초음파" 또는 "초음파식으로"는 초음파 주파수를 갖는 파동을 지칭하기 위하여 사용된다. 초음파 주파수는 대략적으로 100 킬로헤르츠(kHz) 내지 50 메가헤르츠(MHz) 또는 그 이상의 범위 내의 주파수를 갖는 것으로 고려된다. 초음파는 신호 생성기에 결합된 트랜스듀서로부터 방출된다. 생성기는 트랜스듀서에 초음파 주파수의 전기 신호를 제공하도록 구성된 신호 생성기가 될 수 있다. 트랜스듀서는 생성기로부터의 초음파 신호를 기초로 초음파를 생성하기 위하여 구동되도록 배열된다.

본 명세서에 기재된 특정 예시에서, 트랜스듀서는 100kHz 내지 4MHz 또는 그 이상의 주파수의 주파수 범위 내에서 주파수를 방출할 수 있도록 구성된다. 창문을 세정하는 것은 하나 이상의 트랜스듀서를 사용하여 성취될 수 있다.

본 명세서에 기재된 하나 이상의 트랜스듀서의 각각은 복수의 전극을 포함한다. 각각의 트랜스듀서의 전극은 각각의 전극이 기타 전극으로부터 개별적으로 작동될 수 있도록 구성된다. 이처럼, 트랜스듀서는 가능한 초음파 주파수의 범위 내의 주파수로 작동하도록 구성될 수 있다. 초음파의 선택은 신호 생성기에서의 주파수의 전기 신호를 생성함으로써 그리고 고유 주파수에 상응하는 스페이싱을 갖는 전극의 세트에 신호를 적용함으로써 성취된다. 본 상세한 설명에서 전반적으로 사용되는 용어인 "하나의", "일" 또는 "단일" 주파수는, 트랜스듀서로부터 방출된 중심 주파수 또는 메인 주파수에 관한 것으로 해석되어야 하는데, 이는 주파수의 대역이 중심 주파수 주변의 대역폭을 갖고 방출될 것이기 때문이다.

초음파의 주파수 및/또는 파형은 동적으로 선택될 수 있다. 본 명세서에서 주파수 및 파형의 조합은 작동의 모드로 지칭된다. 상이한 표면 탄성파의 예시는 레일리 파, 램 파 및 판 파를 포함한다. 주파수의 특정 범위는 선호되는 파형을 가질 수 있으며 그 반대도 가능하다. 예컨대, 레일리 파는 대략 2.5MHz 이상의 더 높은 주파수에서 생성될 수 있으며, 램 파는 대략 1MHz 내지 2.5MHz의 중간 주파수에서 생성될 수 있으며, 판 파는 대략 1MHz 이하의 더 낮은 주파수에서 생성될 수 있다.

본 명세서에 기재된 하나 이상의 트랜스듀서는 하나 이상의 트랜스듀서로부터 방출된 초음파의 주파수 및/또는 파형을 선택하기 위한 능력을 제공한다. 각각의 트랜스듀서의 작동 모드는 그러므로 동적인데, 이는 각각의 트랜스듀서의 작동 조건이 동적으로 선택될 수 있기 때문이다. 따라서, 각각의 트랜스듀서는, 각각의 트랜스듀서에서 이용가능한 다중 작동 모드가 존재하므로 "다중모드" 트랜스듀서이다.

특정 예시가 도면을 참조하여 이제 기재될 것이다. 특정 특징에 대한 도면의 세트의 동일한 참조 번호의 사용은 동일한 특징에 관한 것이다.

창문을 세정하기 위한 예시적인 방법은 도 1의 흐름도에서 도시된다. 블록(100)에서, 작동의 모드가 선택된다. 작동의 모드는 트랜스듀서 작동에 관한 것이며 이 모드는 트랜스듀서의 전극의 특정 세트의 작동을 기초로 선택될 수 있다. 트랜스듀서의 각각의 전극은 각각의 전극의 독립 작동을 위해 신호 생성기에 개별적으로 연결될 수 있다. 신호 생성기에 연결될 전극의 독립적인 선택은 트랜스듀서의 선택된 작동 주파수를 동적으로 제어하기 위한 능력을 제공한다. 예컨대, 전극은 개별적으로 또는 연속 그룹에서 연결될 수 있거나 특정 전극은 연결되지 않을 수 있다. 예컨대, 트랜스듀서에 따른 모든 기타 전극이 연결될 수 있고, 교번하는 전극이 작동되어서 활성화되며 잔여 전극은 작동하지 않으므로 비활성화된다. 트랜스듀서의 원하는 작동 주파수는 그러므로 트랜스듀서 작동의 모드의 선택, 즉, 작동을 위해 선택된 전극의 세트 및 생성기로부터의 신호 주파수를 기초로 성취될 수 있다. 블록(150)에서, 창문은 선택된 작동의 모드를 기초로 세정된다. 창문은 작동의 선택된 모드에 대하여 트랜스듀서로부터 방출된 초음파에 의해, 즉, 원하는 주파수 또는 상기 작동의 모드에서의 주파수 및/또는 파형에 의해 세정된다.

도 2a는 복수의 전극(210)을 갖는 트랜스듀서(200)를 도시한다. 각각의 전극은 그 자체적인 커넥터를 가지며 이것은 도 9a 및 도 9b를 참조하여 이후에서 기재되는 바와 같이 주파수 생성기 및 스위칭 회로에 전기 연결을 제공한다. 쉴딩 스트립(230)은 그라운드 평면(250)으로부터 전극(210)을 전기적으로 절연한다. 트랜스듀서의 압전 물질(240)은 티탄산 지르콘산 연(PZT)물질 또는 임의의 기타 적절한 압전 물질, 예컨대 수정(quartz crystal)이 될 수 있다. 전극(210)은 압전 층을 따라 나아가는 전극 "핑거"의 물리적인 외형을 가질 수 있다. 전극 핑거로부터의 압전 층의 반대 측 상의 추가 전극은 그라운드(250)에 전기적으로 연결된다. 추가 전극은 전극 "핑거"의 물리적인 외관을 가지거나 가질 수 없는데, 이는 이것이 그 대신에 개별 전극에 대하여 반대 측 상의 압전 물질 상의 전극 "시트"가 될 수 있기 때문이다.

도 2b는 도 2a를 참조하여 기재된 트랜스듀서의 측면도를 도시한다. 추가 전극(260)은 그라운드(250)에 전기적으로 연결된 것으로 도시된다. 트랜스듀서가 작동될 때, 신호 생성기는 그 주파수로 선택된 전극의 세트에 요구되는 주파수의 신호를 적용하고 압전 층에 대한 전극의 결합은 트랜스듀서가 초음파를 방출하게 한다. 초음파는 전극 핑거에 수직인, 예컨대 화살표(270)에 의해 표시된 방향으로 방출된다.

트랜스듀서는 창문의 표면에 트랜스듀서를 부착함으로써 창문에 결합될 수 있다. 창문 표면에 트랜스듀서를 부착하는 것은 창문 표면에 대한 트랜스듀서의 화학적 본딩 또는 물리적 고정을 통해 성취될 수 있다. 적절한 본딩제는 상업적으로 이용가능할 수 있으며 예컨대 이것은 에폭시 레진을 포함할 수 있다. 사용 중에, 본딩제는 트랜스듀서와 창문 표면 사이에 본딩층을 형성한다. 이러한 본딩층은 얇을 수 있고 균일한 두께를 갖고 가스 버블을 갖지 않으며 예컨대 진공 조건하에서 제조될 수 있다. 트랜스듀서는 창문 표면을 면하는 그 전극 "핑거"(210)에 의해 창문에 부착될 수 있거나 대안적으로 그 전극 핑거(210)가 창문 표면으로부터 벗어나게 면하도록 부착될 수 있다. 전극(210)이 창문을 면하게 하는 것은 창문에 적용된 파동 에너지를 증가시킬 뿐만 아니라 예컨대 전극 커넥터를 통해 전극에 대한 전기 연결을 제공하는 것의 어려움을 증가시킬 수 있다.

트랜스듀서의 작동의 모드의 예시가 이제 기재될 것이다. 본 명세서에 기재된 예시에서, 트랜스듀서는 이러한 예시에서 윈드스크린의 자동차용 유리인 특정 물리적 성질의 유리에 사용하기 적합한, 100kHz에서 4MHz까지 또는 그 이상의 주파수 범위로부터 선택된 임의의 주파수에서 작동하도록 구성될 수 있다. 주파수는 신호 생성기에 의해 발생된 전기 신호의 선택된 주파수를 기준으로 그리고 트랜스듀서의 전극의 특정 세트의 선택을 기초로 선택 가능하다. 예컨대, 특정 예시에서, 전극의 세트는 약 220kHz, 570kHz, 1.39MHz, 2MHz 또는 3.1MHz의 임의의 주파수로부터 선택될 주파수로 구성될 수 있다.

대략 이러한 값의 주파수, 예컨대 220kHz +/- 50kHz, 570kHz +/- 50kHz, 1.39MHz +/- 100kHz, 2MHz +/- 100kHz 그리고 3.1MHz +/- 100kHz가 사용될 수 있다.

이러한 예시적인 주파수의 각각의 선택은 도 4a, 도 4b, 도 5a, 도 5b, 도 6a 및 도 6b를 참조하여 이하에서 기재될 것이다. 본 명세서에서 기재된 상이한 세트의 전극을 사용하는 것을 기초로 선택될 수 있는 주파수는, 임의의 주파수도 선택가능하기 때문에, 결코 한정하는 것으로 고려해서는 안되는 것을 주목해야 한다. 주파수의 범위 내의 임의의 하나의 주파수의 선택은 미리 결정된 주파수 선택을 위해 만들어지고 구성되는 트랜스듀서를 기초로 가능해야 한다. 작동 주파수는 이로써 상이한 세트의 전극의 작동에 의해 본 명세서에서 기재된 방법을 기초로 선택가능하다. 그러나 본 발명은 본 명세서에 기재된 선택가능한 주파수에만 한정되지 않는다.

도 3a 내지 도 3c는 작동 동안 하나 이상의 트랜스듀서로부터 초음파 방출될 수 있는 상이한 파형의 예시를 도시한다.

도 3a의 예시에서, 트랜스듀서(300)는 본딩 층(320), 예컨대 에폭시 레진에 의해 창문(310)의 표면에 본딩된다. 물방울(330)은 창문의 표면상에 존재할 수 있다. 트랜스듀서는 창문의 표면을 통해서만 전파하는 초음파를 방출하도록 구동될 수 있다. 이러한 예시에서 초음파는 레일리 파(340)와 같은 표면 탄성파이다. 트랜스듀서로부터 방출된 레일리 파는 대략 2.5MHz 이상의 더 높은 주파수에서 생성될 수 있다. 레일리 파는 물방울을 향해 창문의 표면을 따라 전파한다. 초음파는 창문의 표면에 결합되기 때문에, 파동은 창문 표면상의 물방울과 부딪힐 수 있다. 초음파는 물방울(들)에 도달할 때 특정 주파수( 및 그러므로 특정 파장)가 되므로, 초음파는 물방울을 보게(see)되며 에너지는 창문 표면으로부터 물방울을 제거하기 위하여 초음파로부터 물방울로 전달된다. 창문의 표면상의 물방울(들)의 이온화는 물방울(들)에 대한 초음파의 더 높은 에너지의 효율적인 전달에 의해 성취된다. 이러한 예시에서, 물방울은 이온화 또는 추진의 공정에 의해 제거될 수 있다. 물방울은 창문의 표면으로부터 완전히 또는 부분적으로 제거되도록 원자화될 수 있다. 부분적으로 원자화될 경우, 남아있는 물방울은 추진 또는 진동의 추가 공정에 의해 제거될 수 있다. 예컨대, 물방울은 창문을 통한 명확한 시야를 막는 것으로부터 물방울이 벗어나도록 하기 위하여 창문의 표면을 따라 추진될 수 있다.

도 3b의 예시에서, 트랜스듀서로부터 방출된 초음파는 램 파이다. 램 파는 창문의 표면을 따라 전파한다. 이러한 예시에서 트랜스듀서로부터 방출된 램 파는 대략 1MHz 내지 2.5MHz의 주파수를 가질 수 있다. 트랜스듀서가 결합되는 창문 표면을 따라 전파하는 램 파(350)는 창문의 반대 측 표면을 따라 전파하는 램 파(360)보다 더 큰 진폭을 가질 수 있다. 양쪽 창문 표면을 따라 전파하는 램 파동(350, 360)은 동상이거나 위상을 벗어났을 수(out of phase) 있고, 예컨대 램 파는 개별적으로 대칭 또는 비대칭 파동이 될 수 있다. 트랜스듀서 표면에서의 램 파동(350)은 반대 측 창문 표면 상의 램 파(360)보다 높은 변위를 가질 수 있다. 그러므로, 트랜스듀서로부터 방출된 초음파 에너지는 물방울이 존재할 수 있는 창문의 표면을 통해 전파한다. 이러한 예시에서 물방울은 창문의 표면을 따른 물방울의 추진에 의해 제거될 수 있다. 충분한 에너지가 예컨대 모드 변환을 통해 램 파(350)로부터 물방울로 전달될 경우, 물방울의 이온화를 통해 물방울을 제거하는 것이 가능할 수 있다.

레일리 파 및 램 파는 다양한 주파수에서 공존한다. 예컨대 1MHz의 주파수에서 대부분 램 파가 존재하며 예컨대 3.1MHz에서는 대부분 레일리 파가 존재한다. 주파수가 증가하면, 파형은 램 파에서 레일리 파로 계속해서 변화하며, 즉, 램 파가 더 낮은 주파수에서 우세하되 이 주파수가 증가하면 레일리 파는 더 높은 주파수에서 우세하다.

도 3c의 예시에서, 트랜스듀서로부터 방출된 초음파는 판 파(370)이다. 이러한 예시에서 트랜스듀서로부터 방출된 판 파의 주파수는 대략 1MHz 이하의 비교적 낮은 주파수를 가질 수 있다. 판 파(370)는 창문의 바디를 통해 주로 이동한다. 판 파는 높은 파장을 갖는 더 낮은 주파수를 갖고 그러므로 판 파는 창문의 표면상의 물방울만을 진동할 수 있다. 창문 표면상의 물방울의 진동은 비교적 더 큰 물방울을 형성하기 위하여 별개의 물방울이 합쳐져서 결합되게 할 수 있다.

도 3a 내지 도 3c의 예시는 창문 표면에 결합된 단 하나의 트랜스듀서만 도시하되 임의의 수의 트랜스듀서가 창문 표면에 결합될 수 있다. 하나 이상의 트랜스듀서는 창문의 에지 근처에서 또는 창문의 주변 영역 근처에서 결합될 수 있다. 하나 이상의 트랜스듀서는 시야에 보이지 않을 수 있다.

그 이상이 되면 이온화가 컷 오프 주파수 이상의 초음파의 더 높은 에너지로 인하여 성취가능한 임계값 또는 컷 오프 주파수가 존재하는 것이 이해되어야 한다. 컷-오프 주파수 이하에서, 초음파는 발생할 물방울의 이온화를 위한 충분한 에너지를 가질 수 없되, 창문 표면을 가로지르는 물방울(들)의 추진을 위한 충분한 에너지는 가질 수 있다. 그 이하가 되면 물방울(들)의 추진을 성취할 수 없는 추가 컷-오프 주파수가 또한 존재하되, 물방울(들)의 진동은 가능할 수 있다. 이온화, 추진 또는 진동을 위한 컷-오프 주파수는 물방울(들)의 크기 및/또는 성분에 의존할 수 있다. 예시로서, 창문의 표면상의 물방울을 고려한다: 더 작은 물방울은 (부피비에 비해 더 작은 표면적을 갖는 더 큰 물방울에 비하여) 부피비에 비해 더 큰 표면적을 가질 것이므로, 더 작은 물방울은 더 큰 표면 장력을 갖는다. 그러므로, 더 작은 물방울은 추진 또는 이온화가 성취될 수 있기 전에 표면 장력을 극복하기 위하여 (더 높은 초음파 주파수로부터의) 더 많은 양의 에너지를 요하고, 즉, 더 높은 초음파 주파수는 발생할 이온화를 위한 더 적은 에너지를 요구할 수 있는 더 큰 물방울에 비해 더 작은 물방울을 이온화하고 제거하도록 요구될 수 있다.

창문의 표면은 예컨대, 물방울과 창문 표면 사이의 표면 장력을 변경할 수 있는 선택적인 코팅을 적용함으로써 처리될 수 있다. 예컨대, 선택적인 코팅이 창문 표면에 적용될 경우, 창문 표면은 물방울과 창문 표면 사이의 표면 장력을 개별적으로 감소시키거나 증가시키기 위하여 소수성(hydrophobic) 또는 친수성(hydrophilic)이 될 수 있다. 예컨대, 물방울의 접촉 각도는 창문 표면에 RainX(RTM)을 도포함으로써 변경될 수 있다. 그러므로, 창문에 대한 추가적인 코팅 또는 표면 처리는 발생할 원자화, 추진 및/또는 진동을 위하여 요구되는 컷-오프 주파수를 변형할 수 있다.

도시된 바와 같이, 각각의 트랜스듀서의 전극은 각각의 전극이 기타 전극과 상관없이 작동될 수 있도록 구성된다. 주파수 및/또는 파형의 선택은 상이한 "세트"의 전극의 작동에 의해 성취된다. 예컨대, 전극의 상이한 조합은 선택적으로 작동될 수 있으며 전극의 일부는 상이한 위상을 갖고 작동되거나 작동되지 않도록 선택적으로 선택될 수 있다. 작동하지 않도록 선택된 전극은 전기적으로 플로팅할 수 있다. 전극이 작동을 위하여 선택될 경우에, 이로써 신호 전압은 주파수 생성기에 의해 선택된 전극(들)과 그라운드 사이에서 인가되며, 대조적으로, 선택적으로 작동하지 않는 전극은 그에 인가되는 전압을 가지지 않는 플로팅 전극이 된다. 예시로서, 전극의 일부만이 작동될 경우, 이로써 "세트"는 작동 중인 총 이용가능한 전극의 절반만을 포함할 것이다.

도 4a 및 도 4b는 차량 표면상의 물방울의 이온화를 성취하기 위하여 트랜스듀서의 전극 세트의 작동 또는 구성의 예시적인 모드를 도시한다. 이러한 예시에서, 구성은 트랜스듀서가 대략 2.5MHz 이상의 주파수를 가질 수 있는 초음파를 방출하게 한다. 이러한 초음파의 파형은 주로 레일리 파가 될 수 있다.

도 4a의 예시에서, 트랜스듀서(400)는 복수의 전극(405, 410)을 포함한다. 전극은 예컨대 PZT 물질인, 압전 층(415)에 인접하다. 그라운드(425)에 전기적으로 연결된 추가 전극(420)은 전극(405, 410)에 대한 압전 층의 반대 측 상에 있다. 작동 중에, 특정 전극(405)은 플로팅 전극이 되고 신호 생성기에 연결되지 않되 기타 전극(410)은 신호 생성기에 활성 연결된다. 연결된 전극(410)의 세트는 2.5MHz 이상의 주파수를 갖는 초음파를 생성하도록 작동될 수 있다.

트랜스듀서 내의 특정 물리적 파라미터는 미리 결정된 특성을 갖기 위하여 선택적으로 생산되거나 제조될 수 있다. 예컨대, 전극은 미리 결정되거나 선택된 주파수에서 작동하도록 트랜스듀서를 설계할 수 있다. 예컨대, 각각의 전극의 갭 그리고 연속하는 전극들 간의 갭 또는 스페이싱은 특정 주파수가 의존할 수 있는 설계 파라미터이다. 트랜스듀서 전극은, 상이한 세트의 전극의 작동이 트랜스듀서가 미리 결정된 주파수에서 초음파를 방출하게 하도록 설계될 수 있다. 예컨대, 도 4a에 도시된 트랜스듀서는 28개의 독립 전극을 포함한다. 도 4a에 도시된 28개의 전극(405, 410)의 각각은 0.1mm의 전극들 간의 전극 갭 또는 스페이싱을 갖는 0.4 밀리미터(mm)의 폭을 가질 수 있다. 약 3.1MHz의 주파수를 갖는 파동을 생성하기 위하여, 28개의 전극(410)의 14개의 교번하는 전극(410)의 세트는 플로팅하는 중간 전극(405)을 갖는 약 3.1MHz의 주파수를 갖는 신호를 수신하기 위하여 신호 생성기에 연결된다. 인접한 활성 또는 작동 전극(410)의 스페이싱은 그 주파수에서 생성된 파동의 파장에 관련된다. 전기장은 작동 전극(410)과 그라운드 전극(420) 사이에 셋업되어서 압전 층이 초음파를 방출하기 위한 트랜스듀서의 변위를 위하여 활성이 되도록 할 수 있다.

도 4b는 (도 4a와 유사하게 기재되는 바와 같이) 트랜스듀서(400)를 도시하고, 여기서, 전극(410)은 제 1 주파수 및 위상의 신호를 수싱하며 중간 전극(405)은 동일한 주파수의 신호이되 전극(410)에 비해 180° 위상 이동을 갖는 주파수의 신호를 수신한다. 이러한 구성은 추가 전기장(430)이 인접한 전극(410, 405) 사이에서 셋업되도록 허용한다. 이러한 구성은, 추가 전기장이 트랜스듀서의 압전 층이 트랜스듀서의 더 높은 변위를 야기하는 더욱 "활성"이 되는 것, 즉, 방출될 더 큰 진폭의 초음파가 되게 하도록 허용한다. 이러한 구성은 트랜스듀서의 작동 효율을 개선하고 및/또는 창문 표면 상의 물방울에 전달될 에너지를 증가시킬 수 있다.

도 4c 내지 도 4f의 예시는 도 3a를 참조하여 기재되는 예시에 상응한다. 트랜스듀서(400)는 본딩 층(435)을 통해 창문(440)의 표면에 본딩된다. 트랜스듀서는 도 4a 및 도 4b에 기재된 트랜스듀서가 될 수 있으며 2.5MHz 이상의 주파수를 갖는 초음파를 방출한다. 도 4c 내지 도 4f에 도시된 예시의 작동 동안 트랜스듀서로부터 방출되는 초음파는 레일리 파와 같은 표면 탄성파이다. 트랜스듀서로부터 방출된 초음파(445)는 창문의 표면에 결합되고 창문의 표면을 따라 전파한다. 창문 표면상에 존재하는 물방울(450)은 창문 표면을 따라 전파하는 초음파에 의해 마주칠 수 있다. 물방울을 만나면, 초음파로부터의 에너지는 이로써 물방울로 전달된다. 이러한 에너지 전달은 모드 변환을 기초로 할 수 있다. 모드 변환은 낮은 주파수보다 높은 주파수에서 더 강해질 수 있다. 모드 변환은 에너지 전달 공정이며, 여기서 초음파와 같은 기계적 파동은 액체, 예컨대 창문 표면상의 물방울 내로 결합되고 길이방향 파동(455)은 액체 내로 전달된다. 이처럼, 물방울에 입사하는 초음파의 진폭은 에너지가 전달될 때 전달되며 예컨대 "누설" 파로도 지칭될 수 있다. 이처럼, 물방울을 넘어선 초음파는 물방울에 입사할 때 그 진폭에 비해 더 작은 진폭을 가질 수 있다. 물방울 내로 전달되는 길이방향 파동은 물방울의 내부 표면상에 압력(460)을 가하는 효과를 가지므로 이것은 물방울이 창문의 표면을 따라 추진되게 할 수 있으며, 창문의 표면상에서 이것은 자리잡거나 물방울이 이온화되도록 유도한다.

도 4d는 창문의 표면상의 물방울이 원자화되는(465) 예시를 도시한다. 그러므로, 창문이 세정된다. 창문은 물방울의 원자화에 의해 세정된다.

도 4e는 트랜스듀서가 라미네이트된 창문에 결합되는 예시를 도시한다. 예컨대, 라미네이트된 창문은 차량용 윈드스크린이 될 수 있다. 트랜스듀서는 주변 영역에서 창문에 또는 창문의 에지에 결합될 수 있다. 트랜스듀서는 창문을 둘러싸는 고무 씰 아래에서 시야로부터 가려질 수 있다. 라미네이트된 창문은 유리의 상부 층(440)과 하부 층(475) 사이에 끼워진 라미네이트 층(470)을 포함할 수 있다. 창문의 표면에 부착된 하나 이상의 트랜스듀서의 작동 동안, 각각의 트랜스듀서는 유리(440)의 상부 층의 표면(480)을 통해서만 전파하는 초음파를 방출하도록 구성될 수 있다. 이러한 예시에서, 초음파는 실질적으로 유리의 상부 층을 통해서만 전파하므로, 초음파는 라미네이트 층을 통해 전파하지 않는다. 초음파 에너지가, 그렇지 않으면 초음파의 흡수 또는 댐핑을 유발할 수 있는 라미네이트 층 내로 없어지지 않기 때문에 이것은 유리하다. 트랜스듀서가 표면 탄성파만을 방출하도록 구성하는 것은, 라미네이트 층의 어테뉴에이션이 방지되기 때문에 창문을 세정하는 효율성을 개선하는 장점이 있다. 모든 초음파 에너지는 창문의 효율적인 세정을 위하여 초음파로부터 물방울로의 에너지 전달을 극대화하기 위하여 창문의 표면에 제한된다.

도 4f는 트랜스듀서가 가열 소자(485)를 선택적으로 포함하는 창문에 부착되는 예시를 도시한다. 가열 소자를 포함하는 창문은 차량의 후방 창문이 될 수 있다. 도시된 바와 같이, 트랜스듀서가 가열 소자를 포함하는 표면의 반대 측인 창문 표면에 부착될 수 있다. 창문의 표면에 부착된 하나 이상의 트랜스듀서의 작동 동안, 창문의 표면(480)을 통해서만 전파하는 초음파를 방출하도록 구성될 수 있다. 이처럼, 초음파는 가열 소자를 통해 전파하지 않는다. 라미네이트 층에 대한 도 4e의 예시와 유사하게, 파동 에너지는 가열 소자 내로 소진되지 않으며, 대신에 모든 이용가능한 파동 에너지는 창문을 세정하기 위한 창문의 표면상의 물방울로 향한다. 트랜스듀서(400)는 또한 이하에서 도시되는 바와 같이 창문의 효율적인 세정을 위하여 기타 파형, 예컨대 램 파 또는 판 파를 방출하도록 구성될 수 있다.

도 4c 내지 도 4f는 대략 2.5MHz 이상의 주파수를 방출할 수 있는 트랜스듀서에 관하여 기재되었다. 방출된 더 높은 주파수는 창문 표면상의 물방울의 모드 변환 및 원자화를 통해 창문을 세정하기 위하여 레일리 파와 같은 표면 탄성파를 생성할 수 있다. 이하의 섹션은 상이한 전극 구성에 대한, 트랜스듀서에 대한 작동의 예시적인 모드를 기재할 것이다. 본 명세서에 기재된 전극 구성은 창문의 임의의 형태, 예컨대, 유리의 시트로만 구성된 평범한 창문, 라미네이트 층 또는 가열 소자를 포함하는 창문 또는 기타 형태의 창문을 세정하기 위하여 사용될 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 창문 표면상 물방울의 추진을 성취하기 위하여, 트랜스듀서의 전극 세트의 작동 또는 구성의 예시적인 모드를 도시한다. 이러한 예시에서, 전극 구성은 트랜스듀서가 대략 1MHz 내지 2.5MHz의 범위의 주파수를 가질 수 있는 초음파를 방출하도록 유도할 수 있다. 방출된 초음파는 주로 램 파동이 될 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 트랜스듀서(500)에 대한 작동의 상이하고 예시적인 모드를 도시한다. 도 5a 및 도 5b 각각은 상이한 전극 구성에 관련 된다. 트랜스듀서(500)는 복수의 전극(505, 510)을 포함한다. 전극은 압전 층(515) 상에 있다. 그라운드 전극(520)은 전극(505, 510)의 압전 층의 반대 측 상에 있다. 작동 중에, 특정 전극(505)은 전기적으로 플로팅하는데, 이것은 이들이 신호 생성기에 연결되지 않고 기타 전극(510)이 선택된 주파수의 신호를 수신하기 위하여 신호에 연결되기 때문이다. 연결된 전극(510)의 세트는 대략 1MHz 내지 2.5MHz의 범위의 주파수의 신호를 수신하고 이러한 주파수를 갖는 초음파를 생성하도록 작동된다. 도 5a 및 도 5b의 활성 전극(510)은 이러한 범위에서 대략적으로 고유 주파수를 제공하도록 이격된다.

도 5a 및 도 5b의 예시에서 도시된 트랜스듀서는 28개의 독립 전극을 포함한다. 28개의 전극(505, 510)의 각각은 0.1mm의 전극 사이의 전극 갭 또는 스페이싱을 갖는 0.4mm의 폭을 가질 수 있다. 도 5a의 예시에서, 신호 생성기에 연결된 전극(510)의 세트는 10개의 전극을 포함하여 플로팅 전극이 각각의 연결된 전극 사이에서 분리되어 남겨지게 된다. 전극 구성 또는 작동의 모드의 이러한 특정 예시는 약 2MHz의 주파수를 갖는 초음파를 생성하도록 사용될 수 있다. 도 5b의 예시에서 도시된 트랜스듀서는 28개의 독립 전극을 유사하게 포함한다. + 표시된 인접한 쌍의 전극은 도시된 바와 같이 신호 생성기에 연결된다(단일 전극으로서 연결된 압전 층의 각각의 단부에서 단일 전극으로부터 이격됨). 이러한 전극 구성 또는 동작의 모드는 약 1.39MHz의 주파수를 갖는 초음파를 생성하도록 사용될 수 있다. 도 5a 및 도 5b에서 플로팅하는 전극(505)은 선택된 주파수의 신호이되 전극(510)에 대하여 180도 만큼 위상 이동된 선택된 주파수의 신호를 대안적으로 수신할 수 있다.

도 5c 및 도 5d의 예시는 도 3b를 참조하여 기재된 예시에 상응한다. 트랜스듀서(500)는 본딩 층(530)을 통해 창문(535)의 표면에 본딩된다. 하나 이상의 트랜스듀서는 도 5a 및 도 5b에 기재된 트랜스듀서일 수 있으며 대략 1MHz 내지 2.5MHz의 범위의 주파수를 갖는 초음파를 방출할 수 있다. 도 5c 및 도 5d에 도시된 예시의 작동 동안에 트랜스듀서로부터 방출된 초음파는 주로 램 파이다. 트랜스듀서로부터 방출된 초음파(540, 545)는 창문의 상부 표면과 하부 표면을 따라 전파한다. 초음파는 창문 표면에 결합된다. 창문 표면에 존재하는 물방울(550)은 트랜스듀서가 부착되는 상면 창문 표면을 따라 전파하는 초음파와 마주칠 수 있다. 도 5c는 물방울을 통해 전파하는 초음파를 도시하고, 여기서 초음파로부터의 에너지는 예컨대 모드 변환을 통해 물방울로 전달된다. 길이방향 파동(555)은 물방울로 전달된다. 물질 내로 전달된 길이방향 파동은 물방울의 내부 표면상에 압력(560)을 행사하는 효과를 갖는다.

도 5d는 물방울에 입사하는 초음파가 그 자체의 물방울 상에서 있도록 하는 효과를 도시한다. 물방울에 입사하는 초음파는 물방울이 창문 표면을 따라 추진되도록 한다. 추진의 방향(565)은 초음파 전파와 동일한 방향에 있을 수 있다. 물방울이 창문 표면을 따라 추진될 시에, 물방울의 형상이 변화한다. 예컨대, 물방울은 창문 표면과의 상이한 접촉 각도를 갖는 트레일링 단부(570) 및 리딩 에지(575)를 가질 수 있다. 예컨대, 트레일링 단부(570)는 리딩 에지(575)에 비해 창문 표면과의 더 큰 접촉 각도를 형성할 수 있다. 창문 표면을 따라 물방울을 추진하는 능력은 창문이 세정되는 것을 허용한다(580).

물방울이 표면을 따라 추진되면, 창문 표면과의 트레일링 단부의 접촉 각도의 변화는 물방울 내로의 초음파의 결합 효율을 변경할 수 있다. 그러므로, 추진이 시작되면, 물방울의 추진을 유지하도록 방출되는 초음파의 주파수를 변경하기 위하여 트랜스듀서의 작동의 모드를 변경하는 것이 필수적일 수 있다. 이처럼, 창문을 세정하는 것은 작동의 모드 사이에서의 동적 스위칭, 즉, 방출된 초음파의 상이한 주파수 및/또는 파형에 의해 성취될 수 있다.

도 5c 및 도 5d의 예시에서, 트랜스듀서가 결합된 창문 표면을 따라 전파하는 램 파(540, 350)는 창문의 반대 측 표면을 따라 전파하는 램 파(545, 360)보다 더 큰 진폭을 가질 수 있다. 이것은, 도 4e 및/또는 도 4f의 예시의 각각의 트랜스듀서(400)가 창문을 세정하기 위하여 램 파를 방출하도록 구성되어야 하므로 유리할 수 있다. 모드 변환을 야기하는 램 파(540, 350)가 더 큰 진폭을 갖지 않고 라미네이트 층 또는 가열 소자에 의해 영향받지 않으므로, 적은 에너지를 갖고 라미네이트 층(470) 또는 가열 소자(485) 근처에서 전파하는 램 파(545, 360)는 창문으로부터 물방울을 세정하기 위한 추진(또는 이온화)의 효율에 영향을 주어서는 안되기 때문에, 이것은 유리하다.

이하의 섹션은 상이한 전극 구성에 있어서 트랜스듀서의 작동의 기타 예시 모드를 기재할 것이다.

도 6a 및 도 6b는 창문 표면상의 물방울의 진동을 성취하기 위하여, 트랜스듀서의 예시적인 작동의 모드 또는 전극의 세트의 구성을 도시한다. 이러한 예시에서, 전극 구성은 트랜스듀서가 대략 1MHz 이하의 또는 대략 200kHz에서 1MHz 사이의 주파수를 가질 수 있는 초음파를 방출하도록 유도할 수 있다. 방출된 초음파는 판 파 또는 진동 파가 될 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 트랜스듀서(600)에 대한 작동의 상이한 예시적인 모드를 도시한다. 도 6a 및 도 6b의 각각은 상이한 전극 구성에 관련 된다. 트랜스듀서(600)는 복수의 전극(605, 610)을 포함한다. 전극은 압전 층(615)에 놓인다. 그라운드(625)에 전기 연결된 그라운드 전극(620)은 전극(605, 610)에 대한 압전 층의 반대 측 상에 있다. 작동 중에, 특정 전극(605)은 신호 생성기에 연결될 수 없되, 기타 전극(610)이 신호에 연결될 수 있다. 이러한 예시의 연결된 전극(610)의 세트는 대략 200kHz 내지 1MHz의 범위의 주파수의 신호를 수신하고 이러한 주파수를 갖는 초음파를 생성하도록 연결된다. 도 5a의 단일 활성 전극(510) 및 도 5b의 활성 전극의 쌍은 이러한 범위에서 대략적으로 고유 주파수를 갖도록 구성된다.

도 6a 및 도 6b의 예시에서 도시된 트랜스듀서는 28개의 독립 전극을 포함한다. 28개의 전극(605, 610)의 각각은 0.1mm의 전극들간의 전극 갭 또는 스페이싱을 갖는 0.4 밀리미터(mm)의 폭을 가질 수 있다. 도 6a의 예시에서, 신호 생성기에 연결된 전극(610)의 세트는 18개의 전극을 포함한다. 이들은 개별적으로 630, 635, 640, 645, 650, 655, 660로 표시된 "연결 4/미스(miss) 4/연결 5/미스 2/연결 5/미스 4/연결 4" 전극의 전극 그룹에서 연결된다. 이러한 전극의 구성 또는 작동의 모드는 약 570kHz의 주파수를 갖는 초음파를 생성하도록 사용될 수 있다. 도 6a 및 도 6b에서 플로팅하는 전극(605)은 선택된 주파수의 신호이되 전극(610)에 대하여 180도 만큼 위상 이동되는 신호를 대안적으로 수신할 수 있다.

도 6b의 예시에서 도시된 트랜스듀서는 18개의 전극을 포함하는 신호 생성기에 연결된 전극(610)의 세트를 갖는 28개의 독립 전극을 유사하게 포함한다. 도시된 전극은 개별적으로 665, 670, 675로 도시되는, 압전 층을 따르는 "연결 8/미스 12/연결 8" 전극의 전극 그룹에 연결된다. 이러한 전극 구성 또는 작동의 모드는 약 220kHz의 주파수를 갖는 초음파를 생성하도록 사용될 수 있다.

도 6c 및 도 6d의 예시는 도 3c를 참조하여 기재된 예시에 상응한다. 트랜스듀서(600)는 본딩 층을 통해 창문의 표면에 본딩된다. 트랜스듀서는 도 6a 및 도 6b에 기재된 트랜스듀서가 될 수 있으며 대략 200kHz 내지 1MHz 사이의 주파수를 갖는 초음파를 방출하도록 구동될 수 있다. 도 6c 및 도 6d에 도시된 예시에서 작동 동안 트랜스듀서로부터 방출된 초음파는 판 파이다. 트랜스듀서로부터 방출된 초음파(680)는 창문의 바디를 통해 전파된다. 초음파는 창문의 공진 주파수 또는 진동 주파수(공진 조건)에 일치하는 주파수를 가질 수 있다. 창문의 바디를 통해 전파하는 초음파는 창문이 진동하게 한다.

도 6c의 예시에서, 물방울(685)은 창문 표면상에 존재하는 것으로 도시된다. 창문의 진동은 물방울과 창문 표면 사이의 표면 장력이 극복되도록 허용한다. 진동 창문 표면상의 물방울은 창문 표면을 벗어나도록 "킥" 또는 "이젝트" 오프될 수 있다(690). 그러므로, 물방울(들)은 창문 표면을 벗어나고 초음파는 창문을 세정한다. 또한, 창문의 표면 위의 기류(695)는 창문의 세정을 보조할 수 있다. 이것은 창문 표면으로부터 물방울(들)을 더 멀리 이동시킴으로써 물방울(들)이 진동 표면상으로 다시 도달할 수 있는 기회를 줄임으로써 성취될 수 있다.

예컨대, 도 4e 및/또는 도 4f의 예시의 각각의 트랜스듀서(400)는 창문을 세정하기 위하여 도 6c 및 도 6d를 참조하여 기재된 바와 같이 진동 판 파를 방출하도록 구성될 수 있다. 이것은, 라미네이트된 창문 또는 가열 소자를 갖는 창문의 효율적인 세정의 이익을 가질 수 있는데, 이것은, 판 파가 더 낮은 주파수(그러므로 더 긴 파장)을 가지며 이처럼 판 파 파장보다 훨씬 작은 가열 소자를 "보지" 않기 때문이다.

도 4 내지 도 6에 기재된 작동의 예시적인 모드는, 생성기에 의해 발생된 신호의 상이한 주파수로 신호 생성기에 전기 연결된 전극의 상이한 구성을 기초로 트랜스듀서(들)로부터 방출된 초음파의 주파수 및 파형을 제어하도록 사용될 수 있다. 트랜스듀서에 대한 하나 이상의 작동의 모드를 사용하여 창문을 세정하기 위한 예시적인 방법이 기재될 것이다.

도 7은 트랜스듀서 작동의 하나 이상의 선택된 모드를 사용하여 창문을 세정하기 위한 방법(700)을 개설하는 예시적인 흐름도이다. 블록(760)에서, 물방울의 존재는 창문 상에서 감지된다. 블록(770)에서 작동의 모드들의 모드 또는 시퀀스가 선택된다. 창문을 세정하기 위하여 하나의 작동의 모드 또는 작동의 하나 이상의 모드의 시퀀스 둘 중 하나를 선택하는 것이 가능하다. 트랜스듀서의 작동의 모드는 신호 생성기에 활성 연결된 트랜스듀서의 전극의 구성을 기초로 하므로, 신호의 예시에서, 단 하나의 작동 모드는 단일 트랜스듀서에 대하여 임의의 시점에 작동될 수 있다. 그러므로, 하나 이상의 작동의 모드가 창문을 세정하기 위하여(780) 요구될 경우, 작동의 모드는 순차적으로 선택되어야 한다.

예컨대, 물방울이 2개의 작동의 모드를 사용하여 창문 표면으로부터 세정될 경우에, 이로써 선택된 작동의 제 1 모드는, 트랜스듀서가 대략 3.1MHz에서의 주파수를 갖는 초음파를 방출하기 위하여 구성되도록 될 수 있으며, 선택된 작동의 제 2 모드는 대략 2MHz에서 주파수를 갖는 초음파를 트랜스듀서가 방출하기 위하여 구성되도록 선택된다. 이러한 예시에서, 트랜스듀서를 위한 작동의 2개의 모드는 트랜스듀서가 대략 3.1MHz에서 먼저 초음파를 방출하고 다음으로 대략 2MHz에서 초음파를 방출하도록 구성하기 위하여 동적으로 교번할 수 있다. 물론, 방출된 주파수의 선택은, 창문 표면상의 물방울의 수 또는 물방울의 크기에 의존할 수 있다. 기타 예시적인 주파수는 더 낮은 주파수를 갖는 물방울의 진동을 개시하고 이어서 더 높은 주파수로 물방울을 추진하고 원자화하도록 사용될 수 있다.

도 7에 기재된 창문을 세정하는 방법은 트랜스듀서로부터 방출된 초음파의 주파수 및 파형(즉 작동의 모드)가 동적으로 제어되거나 선택되도록 허용한다. 이것은 차량 창문으로부터 예컨대 얼음 또는 진흙을 제거하는데 유리할 수 있다. 제 1 모드는 창문을 진동시켜서 그 표면상에서 얼음을 깨도록 선택될 수 있으며, 제 2 모드는 창문을 세정하기 위하여 창문 표면을 가로질러 얼음의 깨진 조각을 이동시키기 위하여 선택될 수 있다. 또 다른 추가 모드는 원자화를 통해 녹은 얼음 또는 물방울을 세정하도록 골라지거나 선택될 수 있다. 트랜스듀서의 작동 주파수의 동적 선택은 초음파의 상이한 주파수가 창문 표면을 가로질러서 전파하거나 선택적으로 창문의 바디를 통해 전파하도록 제어된 방식으로 트랜스듀서로부터 방출되는 것을 허용한다. 작동의 복수의 상이한 모드는 지금까지 기재된 전극 구성의 다수의 상이한 조합을 기초로 단일 트랜스듀서에 대하여 이용가능할 수 있다.

작동의 모드는 각각의 작동의 모드의 선택들 간의 설정 시간 지연을 사용하여 순차적으로 선택될 수 있다. 예컨대, 작동의 연속하는 모드들 간의 시간 지연은 5 마이크로초가 될 수 있고, 즉, 트랜스듀서(들)로부터 방출된 초음파의 주파수 및 전극의 세트는 매 5 마이크로초 마다 변경될 수 있다. 시간 지연은 작동 동안 동일하게 고정되거나 동적으로 변경될 수 있다. 5 마이크로초의 시간 지연은 단 하나의 예시가 이며, 기타 지연, 예컨대 1 마이크로초 내지 10 마이크로초와 같이 수 마이크로초의 범위가 사용될 수 있다. 지연은, 물방울 상의 하나의 모드의 결과가 다음 모드가 그에 적용될 때에도 여전히 활성인 것을 보장하도록 선택될 수 있다. 작동의 모드(들)의 감지(760) 및 선택(770)은 수동 또는 자동일 수 있다. 예컨대, 차량의 드라이버는 창문의 표면의 물방울 또는 기타 강수의 시각적인 관찰을 기초로 트랜스듀서 작동의 모드를 수동으로 선택할 수 있다. 대안적으로, 감지 시스템은 자동으로 강수의 존재를 감지하도록 구성될 수 있다. 감지가 자동일 경우, 적어도 2개의 트랜스듀서, 트랜스미터로서 역할을 하기 위한 제 1 트랜스듀서 및 리시버로서의 역할을 하기 위한 제 2 트랜스듀서가 요구된다. 강수를 제거하기 위하여 사용되는 신호 생성기 및 하나 이상의 트랜스듀서는 감지 시스템의 트랜스미터로서 사용될 수 있다. 대안적으로, 추가적인, 별도의 트랜스듀서는 트랜스미터로서 사용될 수 있다. 강수의 감지는 리시버에서 감지되는 초음파를 방출하는 트랜스미터를 기초로 할 수 있으며, 여기서, 초음파는 창문 표면상의 제로 물방울 또는 기타 강수에 상응하는 "디폴트" 진폭 또는 신호 강도를 갖는다. 제 2 트랜스듀서에서 수신된 신호의 강도가 디폴트 신호 강도와 다를 경우, 이것은 창문 표면 상의 물 또는 기타 강수의 존재를 표시할 수 있다. 물 또는 기타 강수가 창문 표면상에 존재할 경우, 에너지는 전파하는 초음파로부터 물 또는 기타 강수에 전달될 수 있다. 이처럼, 초음파가 어테뉴에이션을 경험할 수 있고 초음파가 제 2 트랜스듀서에서 리시버에 도달할 때 신호 강도는 디폴트 값보다 낮을 것이다. 그러므로, 창문 표면 상의 물방울 또는 기타 강수의 존재가 감지된다. 어테뉴에이션의 레벨은 창문 표면상의 강수(또는 물방울)의 양 또는 강수의 형태(예컨대 진눈깨비)를 표시할 수 있다. 감지된 물 또는 기타 강수의 양은 기재된 바와 같이 창문을 세정하기 위한 작동의 모드를 자동으로 선택하도록 사용될 수 있다.

도 8은 유리 기판(즉, 창문) 상의 초음파에 대하여 위상 속도의 함수(820)로서 분산(810)을 모델링하는 그래프(800)이다. 이러한 정보는 각각의 파형이 창문의 표면 상에 놓인 물방울에 갖게 되는 효과를 결정하는데 유용하다. 세로 축은 미터당 초(m/s)의 위상 속도를 나타낸다. 가로 축은 Hz(주파수)로 측정되는 분산에 상응하는 3mm 두께의 유리의 시트에 대한 주파수를 MHz로 나타낸다.

도 8의 예시에서, 모델링되는 초음파는 표면 탄성파이다. 모델링된 유리 기판은 3mm 두께이며 이것은 차량 창문의 또는 라미네이트된 윈드스크린의 유리의 상부층의 대략적인 두께가 된다. 비대칭 램 파 또는 대칭 램 파에 대한 벌크 유리를 통해 전파하는 초음파 파동의 위상 이동은 곡선(830 및 835)에 의해 주어진다. 유리의 얇은 시트 또는 창문과 같은 유리 기판에 있어서, 파동은 벌크 유리와는 다르게 거동할 수 있고 표면 결합 또는 판 파 거동을 보일 수 있다. 초음파의 위상 속도는 미터 당 초(m/s)로 도시되고 분산은 헤르츠(Hz), 즉, 3mm 두께인 유리 기판에 대한 주파수로 도시된다. 그래프는 초음파의 위상 속도 또는 속도가 유리 기판을 통해 전파하면서 주파수에 의해 어떻게 변화하는지 나타낸다.

도 8은 방출된 초음파가 1차 파동(제 1 모드)(830, 835), 2차 파동(제 2 모드)(840, 845), 3차 파동(제 3 모드)(850, 855) 또는 고차 파동이 될 수 있음을 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 초음파는 램 파이며 비대칭 또는 대칭 파동, 즉, 개별적으로 위상을 벗어났거나 또는 동상일 수 있다. 비대칭 파동에 대한 위상 속도는 830, 840 및 850로 도시된다. 대칭 파동에 대한 위상 속도는 835, 845 및 855로 도시된다. 본 명세서에 기재된 트랜스듀서(들)의 상이한 구성에 대하여 방출된 초음파의 주파수는 860A, 865A, 870 및 875로 비대칭 파동(830)의 제 1 모드에 대하여 위상 속도 분산 관계에 대하여 표시된다. 570kHz "판" 파의 위상 속도는 860A로 도시되고, 대략 1.5MHz 램 파는 865A로 표시되며, 더 높은 주파수인 "레일리" 파는 870 및 875로 표시된다. 더 낮은 분산 값으로 방출되는 초음파가 더 긴 파장을 가지기 때문에, 분산의 더 낮은 값, 즉, 판 파에 대한 트랜스듀서의 더 높은 변위가 존재할 수 있다. 그래프 상의 점선(880, 885, 890, 895)를 가로지르는 방출된 초음파의 파장(λ)은 개별적으로 λ=10 mm, λ=4.9mm; λ=2.16mm; λ=1.55mm이다.

예컨대, 제 1 모드 비대칭 파동(860A)에 대한 570kHz에서의 "판" 파는 10mm의 파장을 갖고 (다소 더 높게 이동된 주파수에서) 2차 비대칭 파동(860B)은 10mm의 파장을 또한 갖는다. 1차 파동(860A)은 약 8000m/s의 더 빠른 위상 속도를 갖는 2차 파동에 비해 약 2000m/s의 더 느린 위상 속도를 갖는 것을 알 수 있다.

예시로서, 개별적으로 2.16mm 및 1.55mm에서의 더 낮은 파장을 갖는 더 높은 주파수 초음파(870, 875)는 통상적인 물방울(수 밀리미터)의 직경에 가까운 파장을 갖는다. 그러므로, 이러한 파동은 강한 모드 변환으로 인한 물방울의 이온화에 더욱 적절하다. 반대로, 10mm에서 더 긴 파장을 갖는 더 낮은 주파수 초음파(860A)는 매우 약한 모드 변환(필요 시)을 가질 것이며 물방울을 이온화하는데 적절하지 않지만 물방울을 진동하는데는 적절할 수 있다. 물론, 이온화와 진동 사이의 어딘가에는 주파수의 "중간" 설정이 존재하며, 이것은 하위 주파수의 매우 약한 모드 변환과 더 높은 주파수의 강한 모드 변환 사이의 어딘가의 모드 변환의 레벨을 야기한다. 이러한 그래프는 물방울의 창문을 세정하는데 최적인 주파수를 핀 포인트(pin point)하는 것을 돕는다. 다중모드 트랜스듀서(들) 및 관련된 회로의 예시적인 구현은 도 9a 및 도 9b를 참조하여 본 명세서에서 기재된다.

도 9a를 참조하면, 다수의 트랜스듀서 중 하나가 될 수 있는 트랜스듀서는 예컨대 도 2에서 도시된 압전 기판상의 복수의 전극(210)을 포함한다. 각각의 전극(210)은 커넥터(960)를 통해 스위치 회로(940)의 복수의 바이너리 스위치(941)들 중 개별적인 하나에 연결된다. 모든 스위치는 주파수 생성기(925)의 출력(926)에 연결된다. 모드 컨트롤러(930)는 주파수 생성기 및 스위치 회로를 제어한다. 모드 컨트롤러는 스위치(941)에 공급된 출력 신호의 주파수를 제어한다. 모드 컨트롤러는 또한 스위치들 중 어느 것이 전도성인지 그리고 어느 것이 비전도성인지 선택하여 출력 신호를 수신하는 전극(210)의 세트를 선택한다. 이러한 예시에서, 기타 전극은 전기적으로 플로팅한다. 모드 컨트롤러는 예컨대 그 제어 입력(942)에 바이너리 신호를 적용함으로써 스위치를 제어한다. 주파수 및 출력 신호를 수신하도록 선택된 전극의 세트의 조합은 상기 기재된 바와 같이 트랜스듀서의 작동의 선택된 모드를 한정한다.

주파수 생성기는 트랜스듀서의 열을 감소시키기 위하여 요구된 마크 스페이스 비(mark-space ratio)에 의해 출력 신호(926)를 펄스 온/오프하는 펄스 생성기(950)를 추가적으로 포함할 수 있다. 출력 신호(926)의 펄싱은 컨트롤러(930)에 의해 제어될 수 있다. 펄싱은 센서(T)에 의해 측정되는 바와 같이 트랜스듀서의 온도에 따라 제어될 수 있다.

도 9b는, 도 9a에서 플로팅하는 전극(211)이 180도 만큼 위상 이동된 주파수 생성기의 출력 신호(926)를 수신하는데 있어서 도 9a와 상이하다. 이러한 목적으로, 주파수 생성기는 추가 출력(926+180), 및 모드 컨트롤러(930)의 제어하에서 기타 전극(211)을 선택하는 추가 스위치 회로(940-)를 갖고, 추가 스위치 회로는 추가 스위치 회로(940-)을 제어하기 위하여 추가 제어 포트(943)을 갖는다. 그러므로, 도 9b의 시스템은 신호(926) 또는 180도 만큼 이동된 신호(926)를 수신하도록 트랜스듀서의 임의의 전극을 선택할 수 있다.

모드의 선택은 도 7을 참조하여 상기 기재된 바와 같이 오퍼레이터, 예컨대 차량의 드라이버에 의해 수동으로 수행될 수 있다. 모드의 선택은 도 7을 참조하여 상기 기재된 바와 같이 창문 상의 물의 양을 감지하는 감지기(970)를 사용하여 자동으로 수행될 수 있다.

도 10a 및 도 10b는 차량에 설치된 본 발명의 세정 장치를 개략적으로 도시한다.

도 10a의 예시는 차량 유리(1030)에 부착된 세정 장치(1000)를 도시한다. 세정 장치는 본 명세서에 기재된 바와 같이 하나 이상의 다중 모드 트랜스듀서(1010)를 포함한다. 이러한 경우에, 차량 창문은 라미네이트된 창문이 될 수 있는 윈드스크린이다. 복수의 트랜스듀서(1010)는 창문의 주변 영역에 부착되고 고무 씰 아래에서 시야로부터 선택적으로 숨겨질 수 있다. 트랜스듀서는 창문 표면에 결합되고 창문 표면을 가로질러 전파하는 초음파(1020)를 방출하도록 구동된다. 이러한 예시에서 전파의 방향은 트랜스듀서 전극에 수직인 방향에 있다. 창문의 표면상의 강수(1040)는 예컨대 진동, 추진 및/또는 이온화를 통해, 본 명세서에 기재된 방법에 따라 세정될 수 있다. 트랜스듀서는 선형 방식으로 창문의 에지를 따라 배열될 수 있으므로 초음파는 전체 창문 표면을 가로질러 전파할 수 있다. 트랜스듀서의 부착의 위치는 강수가 창문의 표면의 임의의 영역으로부터 제거되도록 허용한다. 트랜스듀서는 차량의 운전자 및 바람직하게는 또한 조수석 승객의 창문을 통한 방해받지 않는 시야를 허용하도록 창문에 부착된다. 도시된 예시에서, 트랜스듀서는 창문의 상면에 부착된다. 이들은 창문의 주변부 상에서 어디든 부착될 수 있다. 세정 장치(1000)는 선택적으로 차량의 기타 창문, 예컨대 측방 창문(1050) 및/또는 후방 창문에 부착될 수 있다.

도 10b는 차량 창문 상의 강수를 감지하고 세정하기 위한 예시적인 장치(1060)를 도시한다. 이러한 예시에서, 창문에 부착된 복수의 트랜스듀서(1010) 중 하나 이상은 트랜스미터로서의 역할을 할 수 있으며 하나 이상의 추가 트랜스듀서(1070)는 도 7을 참조하여 상기 기재된 바와 같이 리시버로서의 역할을 할 수 있다. 창문을 가로질러 전파하는 초음파(1080)는 트랜스듀서(들)(1070)에 의해 전송되고 수신된다. 강수의 존재가 이로써 감지될 수 있다. 물방울은 이어서 상기 기재된 바와 같이 창문으로부터 자동으로 세정된다.

본 명세서에 기재된 예시는 창문 표면으로부터 물방울을 세정하는 강력한 방법을 제공한다. 다수의 전극을 갖는 트랜스듀서의 조합 및 작동의 전극 및 주파수의 상이한 조합의 선택은 작동의 모드의 폭 넓은 선택을 허용한다. 모드는 자동으로 선택될 수 있다. 본 명세서에 기재된 예시에서, 단일 트랜스듀서는 복수의 상이한 주파수에서, 예컨대 상이한 구성의 전극에 대한 5개의 상이한 주파수에서 별도로 초음파를 방출하도록 동적으로 구성될 수 있다. 그러나, 다수의 더 많은 주파수가 추가적으로 선택될 수 있음이 이해되어야 한다.

상기 예시에 의해 기재된 본 발명은 한번에 하나의 선택된 주파수에서 트랜스듀서를 작동한다. 그러나, 트랜스듀서는 동시에 기본 주파수 및 그 주파수의 하나 이상의 고조파(harmonics)에서 작동가능하도록 설계될 수 있다.

작동의 모드의 선택은, 트랜스듀서로부터 방출된 초음파 에너지의 대부분이 물방울이 존재할 수 있는 창문의 표면을 따라 전파하는 모드의 선택을 허용한다. 이것은 창문 표면을 세정하기 위한 물방울의 효율적인 제거를 허용한다.

본 발명이 창문, 특히 차량의 창문을 참조하여 예시로서 기재되었으나, 예컨대 모터바이크와 같이 윈드스크린을 가지지 않는 차량의 운전자에 의해서도 바이저로부터 강수를 제거하도록 사용될 수 있다. 사용의 기타 예시는 차량의 외부 미러를 포함한다.

본 발명이 강수, 특히 물방울을 제거하는 것을 참조하여 예시로서 기재되었으나, 예컨대 윈드스크린에 적용된 스크린 워시와 같이 창문을 세정하기 위하여 사용된 세제 및/또는 제빙제와 같은 첨가제를 포함할 수 있는 기타 물방울을 세정하도록 사용될 수 있다. 먼지 및 기타 오염물질은 물 또는 물과 세제를 세정함으로써 그리고 오염된 물을 세정하기 위하여 본 발명을 사용함으로써 창문으로부터 제거될 수 있다.

상기 기재는 기재된 원리의 예시를 설명하고 기재하기 위하여 제시되었다. 이러한 설명은 완전한 것으로 또는 개시된 임의의 정확한 형태에 이러한 원리를 한정하는 것으로 의도되지 않는다. 다수의 변형 및 개선이 상기 교수법에 비추어 가능하다. 특정 예시를 참조하여 기재된 특징은, 상기 특정 예시에 한정되는 것으로 고려되어서는 안되며 그 대신 본 명세서에 기재된 임의의 예시와 결합되거나 통합될 수 있다.

Claims (32)

1. 창문으로부터 액체 방울을 제거(clear)하기 위한 장치로서, 상기 장치는:
   창문에 결합되도록 구성되고, 복수의 상이한 주파수 및 파형(wave type) 중 임의의 선택된 주파수 및 파형의 초음파를 생성하도록 각각 구성되는 하나 이상의 트랜스듀서;
   복수의 상이한 주파수 및 파형 중 임의의 선택된 주파수 및 파형의 초음파를 생성하도록 초음파 구동 신호를 상기 하나 이상의 트랜스듀서에 제공하도록 구성되는 생성기; 및
   상기 생성기 및 상기 하나 이상의 트랜스듀서를 제어하도록 구성되는 모드 컨트롤러를 포함하고;
   상기 모드 컨트롤러는 상기 장치의 작동 동안 상기 트랜스듀서에 대하여 이용가능한 복수의 작동의 모드 중 적어도 하나의 작동의 모드를 동적으로 선택하도록 구성되는 모드 셀렉터를 포함하고, 각각의 작동의 모드는 주파수 및 파형의 특정 조합에 대응되는, 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 상이한 주파수는 100kHz 초과의 주파수 범위에 있는, 장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 하나 이상의 트랜스듀서의 각각은 복수의 전극을 포함하며, 상기 모드 컨트롤러는 상이한 주파수 및 파형의 초음파를 생성하도록 상기 하나 이상의 트랜스듀서의 각각의 트랜스듀서의 상이한 세트의 복수의 전극을 선택하도록 구성되는, 장치.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 모드 셀렉터는 주파수 및 파형을 선택하도록 구성되며, 상기 모드 컨트롤러는 상기 상이한 세트의 복수의 전극을 선택하기 위한 스위칭 회로를 더 포함하는, 장치.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 모드 컨트롤러는 선택된 상기 주파수 및 파형 중 상이한 주파수 및 파형으로 연속하여 작동하도록 상기 하나 이상의 트랜스듀서 및 생성기를 제어하도록 구성되는, 장치.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 모드 컨트롤러는 상기 생성기 및 상기 하나 이상의 트랜스듀서의 하나의 구성으로부터 다른 하나의 구성으로 구성들간의 시간 지연과 함께 변화하도록 구성되는, 장치.
7. 청구항 1에 있어서, 상기 생성기는 상기 초음파 구동 신호를 펄스로 상기하나 이상의 트랜스듀서에 인가하도록 구성되는, 장치.
8. 청구항 1에 있어서, 상기 창문의 어테뉴에이션의 양을 감지하기 위하여 상기 하나 이상의 트랜스듀서 중 적어도 하나의 트랜스듀서에 의해 방출된 초음파를 탐지(sense)하도록 구성되는 감지기를 갖는 제어 시스템을 더 포함하고, 상기 모드 셀렉터는 웨이브 어테뉴에이션의 감지된 양을 기초로 상기 생성기 및 상기 하나 이상의 트랜스듀서를 제어하도록 구성되는, 장치.
9. 청구항 1에 있어서, 창문을 더 포함하고, 상기 하나 이상의 트랜스듀서는 상기 창문의 외부 표면에 고정되는, 장치.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 창문은 차량용 창문을 포함하는, 장치.
11. 청구항 9에 있어서, 상기 창문은 유리의 상부층과 하부층 사이에 끼워진 라미네이트 층을 포함하는 라미네이트된 창문을 포함하는, 장치.
12. 청구항 1에 있어서, 상기 하나 이상의 트랜스듀서에 대해서 이용가능한 복수의 작동의 모드는:
    상기 창문상의 액체 방울의 원자화를 성취하기 위한 모드;
    상기 창문 상의 액체 방울의 추진을 성취하기 위한 모드; 및
    상기 창문 상의 액체 방울의 진동을 성취하기 위한 모드를 포함하는, 장치.
13. 청구항 1에 있어서, 작동의 모드들은 순차 선택에 이용가능한, 장치.
14. 청구항 1에 있어서, 상기 창문 상의 물의 양을 감지하도록 구성되는 감지기를 더 포함하고, 상기 모드 셀렉터는 감지를 기초로 상기 생성기와 상기 하나 이상의 트랜스듀서를 제어하도록 구성되는, 장치.
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