KR102431987B1 - 먼지 감지장치 및 이를 포함하는 진공청소기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 진공청소기에 적용 가능하며, 예를 들어, 먼지 또는 이물질이 흡입되는지 여부를 감지할 수 있는 먼지 감지장치 및 이를 포함하는 진공청소기에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 구체적인 일 관점으로서, 청소기 유로 내부에 빛을 토출하는 발신부; 상기 발신부에서 토출된 빛이 상기 유로 내부를 통과하여 수신되는 수신부; 상기 수신부에 수신된 주파수 성분을 증폭시키는 증폭부; 상기 증폭부에서 증폭된 신호 중에서 평활 전압 대비 순간 이동하는 신호를 추출하는 비교부; 및 상기 비교부에서 추출된 신호를 이용하여 상기 유로 내부의 먼지를 감지하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

먼지 감지장치 및 이를 포함하는 진공청소기 {Dust detection apparatus and vacuum cleaner comprising the same}
본 발명은 진공청소기에 적용 가능하며, 예를 들어, 먼지 또는 이물질이 흡입되는지 여부를 감지할 수 있는 먼지 감지장치 및 이를 포함하는 진공청소기에 관한 것이다.
일반적으로 진공청소기는 진공모터를 이용하여 강한 흡입력을 발생시켜, 청소면의 이물질을 포함한 공기를 흡입한 후, 공기로부터 이물질을 분리하여 수거하고, 정화된 공기는 본체 외부로 배출하는 장치이다.
이와 같이, 진공청소기는 청소면에 있는 먼지를 흡입모터를 이용하여 흡입 유로를 따라 빨아들여서 이 먼지들이 청소기의 먼지 통에 쌓이고, 청소면이 깨끗해진다.
이때, 유로로 들어오는 먼지를 센서가 감지한다면 청소기의 모터를 자동으로 더 강하게 돌려 빠르고 깨끗하게 청소를 할 수 있다. 하지만, 종래의 먼지 센서는 먼지를 판단하는 아날로그 회로가 제품별 편차가 크고 미세한 먼지를 감지할 수 없다는 문제점이 있었다.
종래에 이용되는 진공청소기의 먼지 감지 센서는 서로 다른 두 개의 레퍼런스(Reference) 전압을 이용하여 비교하여 작은 크기의 먼지는 감지할 수 없고, 제품별 감지 성능 편차가 있어 제품 양산시 캘리브레이션(Calibration) 등이 필요하다.
또한, 종래의 먼지 센서는 기구 구조상 센서 투과창에 먼지가 누적되면 감지 신호가 낮아져 두 개의 레퍼런스 전압을 비교하면 먼지 신호가 감쇄되어 큰 이물만 감지할 수 있는 문제점이 있었다.
본 발명의 일 실시예의 목적은, 제품별 편차가 없고, 별도의 캘리브레이션 과정이 필요 없는 먼지 감지장치 및 이를 포함하는 진공청소기를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은, 미세한 먼지를 감지할 수 있는 먼지 감지장치 및 이를 포함하는 진공청소기를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은, 유로 또는 투과창에 먼지가 누적되어도 먼지 감지 성능이 저하되지 않는 먼지 감지장치 및 이를 포함하는 진공청소기를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은, 반사형/투과형에 관계없이 적용 가능한 먼지 감지장치 및 이를 포함하는 진공청소기를 제공하고자 한다.
나아가, 본 발명의 또 다른 일실시예의 목적은, 여기에서 언급하지 않은 다양한 문제점들도 해결하고자 한다. 당업자는 명세서 및 도면의 전 취지를 통해 이해할 수 있다.
본 발명에 의하면, 청소기 또는 먼지 감지장치에서, 먼지 감지 신호로서 감지 영역 내 평균 대비 순간 움직이는 신호의 크기를 추출하여 먼지의 크기를 구분할 수 있다.
이때, 두 개의 기준전압이 필요없이, 중간 전압에 평균 RC 회로를 순간 움직이는 먼지신호만 비교 추출해 냄으로써 먼지 감지 신호를 얻을 수 있다.
이러한 데이터 비교 구조는 제품별 편차가 없고, 고감도 고성능으로 먼지 신호만 추출할 수 있다.
이때, 먼지 감지 신호에서 노이즈 성분은 제거하고, 필요한 주파수 성분의 문턱전압(Threshold 전압) 크기 이상의 신호만을 출력할 수 있다.
이러한 본 발명의 구체적인 일 관점으로서, 청소기 유로 내부에 빛을 토출하는 발신부; 상기 발신부에서 토출된 빛이 상기 유로 내부를 통과하여 수신되는 수신부; 상기 수신부에 수신된 주파수 성분을 증폭시키는 증폭부; 상기 증폭부에서 증폭된 신호 중에서 평활 전압 대비 순간 이동하는 신호를 추출하는 비교부; 및 상기 비교부에서 추출된 신호를 이용하여 상기 유로 내부의 먼지를 감지하는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 빛을 투과시키면서 상기 유로 내부와 상기 발신부 및 상기 수신부 중 적어도 어느 하나를 격리하는 투과창을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 투과창은, 제1 투과창; 및 상기 제1 투과창과 마주보는 제2 투과창을 포함하고, 상기 제1 투과창의 일측에 상기 발신부가 위치하고, 상기 제2 투과창의 타측에 상기 수신부가 위치할 수 있다.
또한, 상기 발신부 및 상기 수신부는 상기 투과창에 대하여 동일 방향에 위치할 수 있다.
또한, 상기 투과창의 오염도를 상쇄시키기 위한 상쇄부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 상쇄부는, 상기 수신부와 상기 증폭부 사이에는 직류 성분을 제거하기 위한 교류 커플링 커패시터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 비교부의 제1 단자에는 RC 회로가 연결될 수 있다.
또한, 상기 비교부의 제1 단자에는 시정수 동안 평활 전압이 입력되고, 상기 비교부의 제2 단자에는 상기 증폭부에서 증폭된 신호가 입력될 수 있다.
또한, 상기 비교부는 노이즈 성분을 제거하고 상기 신호를 추출할 수 있다.
또한, 상기 증폭부에서 증폭된 신호 중에서 문턱 전압 크기 이상의 신호를 추출할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 제1 시간 동안 누적 감지한 먼지 파형이 제2 시간 이상 지속되면 먼지를 감지한 것으로 판단할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 비교부에서 추출된 신호의 폴링 에지와 라이징 에지 사이의 시간 차이를 계산하여, 상기 시간 차이가 일정시간 이상이면 먼지를 감지한 것으로 판단할 수 있다.
또한, 상기 증폭부와 상기 비교부는 하나의 집적 회로에 구비될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 감지된 먼지 양에 따라 상기 청소기의 흡입력을 증감시킬 수 있다.
이러한 본 발명의 구체적인 다른 관점으로서, 본 발명은, 청소기 유로 내부에 빛을 토출하는 발신부; 상기 발신부에서 토출된 빛이 상기 유로 내부를 통과하여 수신되는 수신부; 상기 수신부에 수신된 주파수 성분을 증폭시키는 증폭부; 상기 증폭부에서 증폭된 신호 중에서 평활 전압 대비 순간 이동하는 신호를 추출하는 비교부; 및 상기 비교부에서 추출된 신호를 이용하여 상기 유로 내부의 먼지를 감지하는 제어부를 포함하고, 제1 시간 동안 누적 감지한 파형이 제2 시간 이상 지속되는 제1 조건 및 상기 비교부에서 추출된 신호의 폴링 에지와 라이징 에지 사이의 시간 차이를 계산하여 상기 시간 차이가 일정시간 이상인 제2 조건 중 적어도 어느 한 조건이 만족하면 먼지를 감지한 것으로 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 평균전압 비교 방식을 이용함으로써, 종래의 기준전압 비교 방식에 비해 적은 수의 부품이 필요하여 재료비 절감 효과가 있다.
또한, 제품별 편차가 없어 캘리브레이션을 하지 않아도 되므로 생산성 향상이 될 수 있다.
또한, 먼지를 감지할 수 있는 검출 성능이 우수하여, 먼지 검출 및 그에 따른 진공청소기의 동작에 있어서 품질 신뢰성이 향상될 수 있다.
또한, 반사형/투과형에 관계없이 적용 가능하다.
나아가, 본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 여기에서 언급하지 않은 추가적인 기술적 효과들도 있다. 당업자는 명세서 및 도면의 전취지를 통해 이해할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 감지장치가 적용될 수 있는 진공청소기의 개략 사시도이다.
도 2는 도 2의 A 부분의 내부 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 감지장치의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 감지장치의 입출력 파형을 나타내는 신호도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 반사형 먼지 센서 방식의 먼지 감지장치를 나타내는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 투과형 먼지 센서 방식의 먼지 감지장치를 나타내는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 감지장치의 먼지를 판단하는 과정을 나타내는 신호도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 감지장치의 상쇄부의 작용을 설명하기 위한 신호도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 감지장치의 구체적인 회로도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 감지장치의 먼지 감지에 따른 진공청소기의 동작을 나타내는 순서도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 감지장치의 작은 먼지를 감지하는 방법을 나타내는 신호도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 감지장치의 큰 먼지를 감지하는 방법을 나타내는 신호도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
나아가, 설명의 편의를 위해 각각의 도면에 대해 설명하고 있으나, 당업자가 적어도 2개 이상의 도면을 결합하여 다른 실시예를 구현하는 것도 본 발명의 권리범위에 속한다.
또한, 층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 감지장치가 적용될 수 있는 진공청소기의 개략 사시도이다.
도 1은 진공청소기의 일례를 도시하고 있다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 감지장치는 내부에 먼지 흡입 유로를 가지는 각종 진공청소기에 적용될 수 있음은 물론이다. 따라서 진공청소기에 대해서는 간략하게 설명한다.
도 2는 도 2의 A 부분의 내부 개략도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 감지장치가 설치되는 진공청소기(200)의 내부 유로의 일부분을 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 진공청소기(200)는 내부에 모터(미도시) 등이 포함되어 흡입력을 발생시키는 본체(210)와, 이 본체(210)의 흡입 유로(240; 도 2)에 연결되는 연결관(220), 그리고 본체(210)와 연결관(220) 사이에 구비되는 연결부(230)를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 먼지 감지장치(100)는 진공청소기(200)의 흡입 유로(240) 내에 설치될 수 있다. 이러한 흡입 유로(240) 내에 발신부(110; 도 3 참조)를 이루는 발광 소자(L1)와 수신부(120; 도 3 참조)를 이루는 수광 소자(P1, P2)가 구비되고, 이러한 발신부(110) 및 수신부(120)는 먼지 감지장치(100)에 포함된다.
도 2는 특히, 반사형 먼지 센서 방식의 먼지 감지장치(100)를 나타내고 있다. 이러한 반사형 먼지 센서 방식 외에 투과형 먼지 센서 방식이 이용될 수도 있으며, 이에 대해서는 자세히 후술한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 감지장치의 회로도이다.
이와 같이, 먼지 감지장치(100)가 진공청소기(200)에 설치되어 이용될 때, 이러한 먼지 감지장치(100)는 먼지 감지모듈로 칭할 수도 있다.
도 3을 참조하면, 먼지 감지장치(100)는 진공청소기(200)의 먼지 유로(240; 도 3) 내부에 빛을 토출하는 발신부(110), 이 발신부(110)에서 토출된 빛이 유로 내부를 통과하여 수신되는 수신부(120), 이 수신부(120)에 수신된 주파수 성분을 증폭시키는 증폭부(130) 및 이 증폭부(130)에서 증폭된 신호 중에서 평활 전압 대비 순간 이동하는 신호를 추출하는 비교부(140)를 포함할 수 있다.
또한, 먼지 감지장치(100)는 발신부(110)에서 방출된 빛을 투과시키면서 먼지 유로(240) 내부와 발신부(110) 및 수신부(120) 중 적어도 어느 하나를 격리하는 투과창(160)을 더 포함할 수 있다.
이러한 투과창(160)의 배치는 발신부(110)와 수신부(120)가 반사형 센서 방식을 구성하는지 투과형 센서 방식을 구성하는지에 따라 다르게 이루어질 수 있다. 이에 대해서는 자세히 후술한다.
위에서 언급한 바와 같이, 발신부(110)는 발광 소자(L1)를 포함하여 진공청소기(200)의 먼지 유로(240) 내부에 일정 전류로 빛을 토출할 수 있다. 이러한 발광 소자(L1)는 적외선(IR)을 방출하는 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)가 이용될 수 있다.
수신부(120)는 발신부(110)의 발광 소자로부터 반사되는 빛의 양을 회로 신호로 변환하는 소자로써, 먼지가 유입되면 수신되는 광신호를 회로 신호로 미세한 크기로 변화된다. 이러한 수신부(120)의 수광 소자(P1, P2)로서 포토 다이오드(Photo Diode)가 이용될 수 있다.
수신부(120)에서 수신된 미세한 크기의 먼지 신호는 먼지 유로(240)를 순간 통과하는 빠른 속도의 주파수 성분(약 200Hz)만을 가지고, 이러한 통과된 먼지 신호(AC 신호)는 증폭부(130)에서 일정 비율로 (예를 들어, 약 100배) 증폭될 수 있다. 이와 같이 증폭부(130)에서 증폭된 먼지 신호는 중간 전압(예를 들어, 1.85V) 캐리어에 실려서 출력될 수 있다.
이러한 증폭부(130)는 증폭기(OP1)의 (-) 단자에 연결되는 제1 저항(R1)과, 증폭기(OP1)의 입출력단에 걸쳐 병렬로 연결되는 제2 캐패시터(C2) 및 제2 저항(R2)을 포함할 수 있다.
이때, 비교부(140)는 증폭부(130)에서 증폭된 신호를 제1 단자, 예를 들어, (-)단자의 평활 전압대비 제2 단자, 예를 들어, (+) 단자의 순간 움직이는 먼지 신호를 추출한다.
이러한 비교부(140)는 증폭기(OP2)의 (+) 단자에 연결되는 제3 저항(R3), 증폭기(OP2)의 (-) 단자에 연결되는 RC 회로(R3, C3), 그리고 증폭기(OP2)의 입출력단에 걸쳐 연결되는 제4 저항(R4)을 포함할 수 있다.
즉, 비교부(140)의 (-) 단자에는 RC 회로(R3, C3)가 연결되어 이 RC 회로(R3, C3)에 의한 시정수 동안 평활(Moving AVG) 전압이 입력될 수 있다. 여기서 시정수란 예를 들어, 1초 동안 캐패시터(C3)에 63.2%까지 충전되는 시간상수일 수 있다. 이때, 비교기(140)의 (+) 단자에는 증폭부(130)에서 증폭된 먼지 신호가 입력될 수 있다.
이때, (+) 단자에 입력되는 먼지 신호는 노이즈를 포함할 수 있다.
따라서, 비교부(140)는 이러한 먼지 신호에 포함된 노이즈 성분을 제거하고 추출할 수 있다. 이때, 비교부(140)에서는 증폭부(130)에서 증폭된 신호 중에서 문턱 전압 크기 이상의 신호를 추출할 수 있다. 즉, 증폭부(130)에서 증폭된 신호 중에서 문턱 전압(Hysteresis Threshold 전압) 크기 이상의 신호만을 먼지 신호로 추출할 수 있다.
즉, 비교부(140)의 (+) 단자에는 노이즈를 포함하는 증폭된 먼지신호가 입력되고, 비교부(140)의 출력은 (-) 단자의 입력보다 (+) 단자의 입력이 작을 경우 로우(Low) 신호를 출력할 수 있다. 따라서, 증폭부(130)에서 증폭된 신호 중에서 노이즈가 제거되고 먼지 신호만이 필터링되어 출력될 수 있는 것이다.
이때, 노이즈 제거를 위한 문턱 전압(Hysteresis Threshold 전압)은 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112020081872574-pat00001
수학식 1에서, UTP는 Upper Trip Point, LTP는 Lower Trip Point를 나타낸다. 이는 증폭기(OP2)를 이루는 OP 앰프의 특성과 관계된 값이므로 자세한 설명은 생략한다. 이때, UTP는 수학식 2와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112020081872574-pat00002
이와 같은 먼지 감지장치(100)는 전원전압 및 기준 전압에 관계없이 순간 움직이는 먼지 신호만 추출할 수 있다.
또한, 먼지 신호 중에서 노이즈 성분은 제거하고, 필요한 주파수 성분의 문턱 전압(Threshold 전압) 크기 이상의 신호만을 출력할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 진공청소기/먼지 감지장치 제품별 편차가 없고, 이동평균 신호 비교를 이용하므로 캘리브레이션(calibration)이 필요 없는 먼지 감지회로를 제공할 수 있다.
또한, 이러한 먼지 감지장치(100)는 반사형 및 투과형 센서구조에 관계없이 적용될 수 있다. 즉, 이러한 먼지 감지장치(100)는 반사형 및 투과형 센서구조에 관계없이 평균 전압에 순간 먼지 신호를 추출하는 데이터 추출 회로를 구비할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 감지장치의 입출력 파형을 나타내는 신호도이다. 특히, 도 4는 비교부의 입출력 파형을 나타내고 있고, 이를 통하여 먼지 감지장치(100)는 먼지 존재여부를 판단할 수 있다.
도 4의 상측에는 비교부(140; 비교기)의 (+) 단자 및 (-) 단자의 입력, 그리고 위에서 설명한 UTP, 평활 전압(Moving AVG 전압) 및 LTP가 표시되어 있고, 도 4의 하측에는 비교부(140)의 그리고 출력(O)이 표시되고 있다.
이와 같이, 증폭부(130)에서 입력된 먼지 신호는 노이즈가 제거된 후에 비교부(140)에서 출력되는 것을 알 수 있다.
도 4의 하측을 참조하면, 비교부(140)에서 로우(Low) 신호가 출력될 때 먼지가 존재하는 것으로 판단될 수 있다.
한편, 먼지 감지장치(100)에서 직류 성분을 제거하기 위한 교류 커플링 커패시터(C1)를 포함할 수 있다. 이러한 교류 커플링 커패시터(C1)는 투과창(160)의 오염도를 상쇄시키기 위한 상쇄부로서 작용할 수 있다. 이러한 교류 커플링 커패시터(C1)의 기능은 아래에서 자세히 설명한다.
또한, 먼지 감지장치(100)에서 비교부(140)의 출력단에는 제어부(150)가 연결될 수 있다. 이러한 제어부(150)로서 마이크로컴퓨터(마이컴)가 이용될 수 있다. 이러한 제어부(150)는 비교부(140)의 출력단의 출력 신호를 이용하여 먼지 양을 판단할 수 있다.
예를 들어, 제어부(150)는, 제1 시간 동안 누적 감지한 먼지 파형이 제2 시간 이상 지속되면 먼지를 감지한 것으로 판단할 수 있다. 즉, 도 4의 하측과 같은 먼지 파형에서 로우 신호가 일정 시간이상 지속되면 먼지를 감지한 것으로 판단할 수 있다.
또한, 제어부(150)는, 비교부(140)에서 추출된 신호의 폴링 에지(Falling Edge)와 라이징 에지(Rising Edge) 사이의 시간 차이를 계산하여, 이 시간 차이가 일정시간 이상이면 먼지를 감지한 것으로 판단할 수 있다.
이때, 제어부(150)는, 이와 같은 판단 방법에 따라 감지된 먼지 양에 따라 진공청소기의 흡입력을 증감시킬 수 있다.
이러한 제어부(150)에서 먼지를 판단하는 방법은 자세히 후술한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 반사형 먼지 센서 방식의 먼지 감지장치를 나타내는 개략도이다.
도 5를 참조하면, 반사형 먼지 센서 방식의 먼지 감지장치(100)에 의하면, 수신부(120)와 발신부(110)가 동일한 측면에 위치할 수 있다. 위에서 설명한 도 2에서 도시한 먼지 감지장치(100) 또한 반사형 먼지 센서 방식의 먼지 감지장치(100)를 나타내고 있다.
이때, 동일한 측면에 위치하는 수신부(120)와 발신부(110) 상에 투과창(160)이 위치하게 된다. 즉, 발신부(110) 및 수신부(120)는 투과창(160)에 대하여 동일 방향에 위치할 수 있다.
따라서, 발신부(110)에서 토출된 빛(발신광)이 먼지(10) 또는 기타 이물질에서 반사되어 수신부(120)로 입사된 후에, 이 입사된 광은 증폭부(130)에 의하여 증폭되어 처리될 수 있다.
이때, 이상적인 먼지 센서의 성능(민감도)에 의하면, 발신부(110)에서 방출된 광이 먼지(10) 또는 기타 이물질에서 100% 반사되고, 이러한 반사된 광이 100% 수신부(120)로 입사될 수 있다. 이는 빛이 모두 직진광(①)에 의하여 이상적인 발신/수신 경로를 따를 때 이루어질 수 있다.
그러나 실질적인 빛의 발신/수신 경로를 따를 때, 빛의 굴절(②), 반사(③), 흡수(④) 등이 존재하며, 따라서, 실질적인 먼지 센서의 성능(민감도)을 이루기 위하여 이러한 빛의 굴절(②), 반사(③), 흡수(④)를 최소화할 것이 요구될 수 있다.
이를 위해서 투과창(160)의 위치 조절 및 투과도가 우수한 투과창(160)의 이용 등이 필요할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 투과형 먼지 센서 방식의 먼지 감지장치를 나타내는 개략도이다.
도 6을 참조하면, 투과형 먼지 센서 방식의 먼지 감지장치(100)에 의하면, 투과창은, 제1 투과창(161) 및 이 제1 투과창(161)과 마주보는 제2 투과창(162)을 포함할 수 있다. 이때, 제1 투과창(161)의 일측에 발신부(110)가 위치하고, 제2 투과창(162)의 타측에 수신부(120)가 위치할 수 있다.
이러한 투과형 먼지 센서 방식의 먼지 감지장치(100)의 기본 원리는, 먼지(10) 또는 기타 이물질이 먼지 유로(240)를 지나가면서 발신부(110)에서 방출되는 빛(일례로 적외선)을 차단하게 되고, 이때, 수신부(120)의 수신 파형의 변화를 이용하여 먼지를 감지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 감지장치의 먼지를 판단하는 과정을 나타내는 신호도이다.
이하, 도 7을 참조하여 먼지 감지장치(100)를 이용하여 먼지를 판단하는 과정을 설명한다. 이러한 과정은 위에서 설명한 반사형 및 투과형 먼지 센서 방식에 동일하게 이용될 수 있다.
먼저, 도 7(a)을 참조하면, 수신부(120)의 입력 파형을 나타낸다. 수신부(120)의 입력 파형은 시간에 대한 전압 파형으로 나타날 수 있다. 이때, 수신 파형이 있을 때 먼지가 존재하는 것으로 판단될 수 있다.
도 7(b)을 참조하면, 수신부(120)에서 입력된 파형은 증폭될 수 있다. 이후, 이렇게 증폭된 파형을 위에서 설명한 과정을 통하여 평활하고 사각파로 변환하면 도 7(c)와 같은 상태가 된다. 이러한 사각파의 존재에 따라 먼지를 판단할 수 있다.
이때, 먼지 감지장치(100)의 감지 대상은 먼지의 양을 감지할 수 있다.
다르게 말하면 먼지의 크기, 종류 구분은 어려울 수 있다. 따라서, 작은 먼지 덩어리는 큰 먼지와 동일하게 감지될 수 있다. 이는 작은 먼지가 연속적으로 유입되는 상태와 큰 먼지가 유입되는 상태에서 발신부(110)의 발신광(적외선)이 차단되는 면적은 동일할 수 있기 때문이다. 따라서, 이를 고려한 먼지의 판단 방법이 요구될 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 감지장치(100)는 먼지의 색상이나 먼지의 유로 상의 위치에 무관하게 동일한 감지 성능 구현할 수 있는 장점이 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 감지장치의 상쇄부의 작용을 설명하기 위한 신호도이다.
위에서 설명한 바와 같이, 먼지 감지장치(100)에서 직류 성분을 제거하기 위한 교류 커플링 커패시터(C1)를 포함할 수 있다. 이러한 교류 커플링 커패시터(C1)는 투과창(160)의 오염도를 상쇄시키기 위한 상쇄부로서 작용할 수 있다. 즉, 도 3에서 도시한 교류 커플링 커패시터(C1)는 상쇄부와 동일한 요소일 수 있다.
진공청소기를 사용하는 시간이 증가함에 따라 먼지 유로(240), 발신부(110), 수신부(120) 및 투과창(160) 등 적어도 어느 하나에 오염이 발생할 수 있다.
이와 같이, 진공청소기의 먼지 감지장치(100)의 구성에 오염이 발생하게 되면 수신부(120)의 신호가 상승할 수 있다. 이에 따라, 도 8에서 도시한 바와 같이, 수신부(120)의 전압이 포화되어 감지가 불가능한 영역이 발생할 수 있다.
따라서, 수신부(120)의 수신 신호를 모니터링하여 먼지 감지장치(100)의 구성의 오염도에 비례하여 발신부(110)의 세기를 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 감지 가능한 신호 영역으로 수신부(120)의 수신 신호를 유지할 수 있다.
이때, 수신부(120)의 전압이 포화되는 것은 수신부(120)의 전압에 직류 성분이 발생함을 의미할 수 있다. 즉, 먼지 감지장치(100)는 수신부(120)의 교류 성분에 의하여 먼지를 감지할 수 있으나, 수신부(120)의 전압이 포화되면 이 교류 성분이 감지 가능 영역을 넘어서게 되는 것이다.
따라서, 수신부(120)의 신호가 교류 커플링 커패시터(C1; 상쇄부)를 통과하면 직류 성분이 필터링되고, 이에 따라, 교류 커플링 커패시터(C1)는 먼지 감지장치(100)의 오염도를 상쇄시키기 위한 상쇄부로 작용할 수 있는 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 감지장치의 구체적인 회로도이다.
도 9를 참조하면, 도 3의 회로도를 보다 구체적으로 표현하고 있다. 이하, 도 9를 참조하여 먼지 감지장치(100)의 구체적인 회로 구성을 설명한다. 그러나, 도 3의 설명과 중폭되는 경우에는 그 설명을 생략할 수 있다.
도 9를 참조하면, 먼지 감지장치(100)는 전체 바이어스 전압(Vcc)에 의하여 동작할 수 있다. 이때, 바이어스 전압(Vcc) 단에는 전원 노이즈를 제거하기 위한 캐패시터(C4)가 연결될 수 있다.
또한, 이러한 전원 노이즈를 제거하기 위한 캐패시터(C4)와 증폭부(130) 사이에는 증폭부(130)의 구동 전압인 중간 전압으로 변환시키는 중간 전압 발생부(170)가 연결될 수 있다. 이러한 중간 전압 발생부(170)는 저항(R6, R7)을 이용한 전압 분배와 캐패시터(C5)의 연결을 이용하여 구현될 수 있다.
증폭부(130)와 비교부(140)는 하나의 반도체 집적 소자(Integrated Circuit: IC)인 IC1에 의하여 구현될 수 있다. 즉, IC1은 두 개의 OP 앰프를 포함할 수 있으며, 이 두 개의 OP 앰프를 이용하여 증폭부(130)과 비교부(140)가 구비될 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 수신부(120)는 두 개의 포토 다이오드(P1, P2)를 포함할 수 있다. 이 두 개의 포토 다이오드(P1, P2)가 에미터 팔로워 형태로 연결될 수 있다.
비교부(140)의 출력단에는 커넥터(151)가 연결될 수 있으며, 이 커넥터(151)를 통하여 제어부(150)가 연결될 수 있다.
이 커넥터(151)에는 세 개의 핀이 구비되어, 하나의 핀은 바이어스 전압(Vcc)에 연결되고, 나머지 한 핀은 접지단에 연결될 수 있다.
그 외에 설명하지 않은 부분은 위에서 도 3을 참조하여 설명한 사항이 동일하게 적용될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 감지장치의 먼지 감지에 따른 진공청소기의 동작을 나타내는 순서도이다.
위에서 설명한 바와 같이, 먼지 감지장치(100)를 통하여 감지된 먼지 양에 따라 진공청소기의 동작을 달리할 수 있다.
예를 들어, 도 10에서 도시하는 바와 같이, 먼지 감지장치(100)가 작동하는 조건을 자동(Auto) 모드라고 한다면, 이 자동 모드가 켜졌을 때, 위에서 설명한 과정을 통하여 먼지를 감지하는 단계(S10)가 수행될 수 있다.
이때, 먼지를 감지하는 단계(S10)에서 먼지가 감지되는 것으로 판단되면 진공청소기(200)의 흡입력을 증가시킬 수 있다(S20). 이를 위하여 진공청소기(200)에 포함되는 모터(미도시)의 속도를 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 진공청소기(200)의 청소성이 향상될 수 있다.
반면, 먼지를 감지하는 단계(S10)에서 먼지가 감지되지 않는 것으로 판단되면 진공청소기(200)의 흡입력을 감소시킬 수 있다(S30). 이에 따라 진공청소기(200)의 전력 소모를 감소시킬 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 감지장치의 작은 먼지를 감지하는 방법을 나타내는 신호도이다.
위에서 설명한 바와 같이, 일반적인 제어 과정에서는 먼지 크기, 종류의 구분이 어려울 수 있다.
따라서, 도 11에서 나타내는 바와 같은 제어 과정에 의하여 작은 먼지를 감지할 수 있다면, 먼지의 감지를 보다 효율적으로 수행할 수 있다.
예를 들어, 제1 시간(예를 들어, (x)ms) 동안 누적 감지한 먼지 파형이 제2 시간(예를 들어, (y)ms) 이상 지속된다면, 먼지 감지장치(100)는 먼지를 감지한 것으로 판단할 수 있다.
즉, 도 11에서, 첫 번째 로우 레벨 신호(VL)가 유지되는 구간(a)은 (y)ms 이상 로우 레벨 신호(VL)가 유지되어 먼지가 감지된 것으로 판단된 것이다. 이때, 진공청소기(200)는 흡입력을 기설정된 시간(n초) 동안 향상시킬 수 있다(Suction up).
이후, 일정 시간이 지나면(예를 들어, 2(x) 시간 경과) 다시 흡입력을 감소시킬 수 있다(Suction down).
다음에, 다시 (y)ms 이상 로우 레벨 신호(VL)가 유지되는 구간(b)이 오면 다시 진공청소기(200)는 흡입력을 기설정된 시간(n초) 동안 향상시킬 수 있다(Suction up).
반면에, 로우 레벨 신호(VL)가 유지되는 시간이 (y)ms 이하라면 먼지가 감지되지 않은 것으로 판단할 수 있다(미감지).
이와 같은 먼지 판단 방법은 감지 신호의 파형이 짧은 먼지, 즉, 작은 먼지의 검출에 용이할 수 있다.
이와 같은 과정은 제어부(150)에서 이루어질 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 감지장치의 큰 먼지를 감지하는 방법을 나타내는 신호도이다.
한편, 도 12에서 나타내는 바와 같은 제어 과정에 의하여 큰 먼지를 감지할 수 있다면, 먼지의 감지를 보다 효율적으로 수행할 수 있다.
이때, 먼지 감지장치(100)는 먼지 감지 신호의 폴링 에지(Falling Edge)와 라이징 에지(Rising Edge) 사이의 시간 차이를 계산하여, 이 시간 차이가 일정시간 이상이면 먼지를 감지한 것으로 판단할 수 있다.
즉, 먼지 감지장치(100)는 비교부(140)에서 추출된 신호의 폴링 에지(Falling Edge)와 라이징 에지(Rising Edge) 사이의 시간 차이를 계산하여 먼지를 검출할 수 있다.
구체적으로, 먼저, 폴링 에지(Falling edge; T0) 및 라이징 에지(Rising edge; t1)를 검출하여, 두 에지(edge) 간의 시간 차를 구할 수 있다.
이때, 두 에지(edge) 간의 시간 차가 일정 시간(= 먼지 크기) 이상일 경우에 먼지를 감지할 수 있다.
그러면, 먼지 감지장치(100)는 n 초 동안 강력 모드로 진공청소기(200)가 동작하도록 변수를 설정할 수 있다.
이후, t4에서 다시 폴링 에지(Falling edge)를 검출 시, 강력 모드 운전을 위한 타이머를 연장할 수 있다.
그리고, t4로부터 일정 시간 후(예를 들어, 1초 후) 일반 모드로 전환될 수 있다.
이와 같은 먼지 감지 방법에 의하면 감지 신호 파형이 상대적으로 긴 먼지, 즉, 큰 먼지의 검출이 용이할 수 있다.
이와 같은 과정은 제어부(150)에서 이루어질 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 감지장치 및 진공청소기에 의하면, 평균전압 비교 방식을 이용함으로써, 종래의 기준전압 비교 방식에 비해 적은 수의 부품이 필요하여 재료비 절감 효과가 있다.
또한, 제품별 편차가 없어 캘리브레이션을 하지 않아도 되므로 생산성 향상이 될 수 있다.
또한, 먼지를 감지할 수 있는 검출 성능이 우수하여, 먼지 검출 및 그에 따른 진공청소기의 동작에 있어서 품질 신뢰성이 향상될 수 있다.
또한, 반사형/투과형에 관계없이 적용 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 먼지 100: 먼지 감지장치
110: 발신부 120: 수신부
130: 증폭부 140: 비교부
150: 제어부 200: 진공청소기

Claims (20)

  1. 청소기 유로 내부에 빛을 토출하는 발신부;
    상기 발신부에서 토출된 빛이 상기 유로 내부를 통과하여 수신되는 수신부;
    상기 수신부와 상기 증폭부 사이에 연결되어 직류 성분을 제거하기 위한 교류 커플링 커패시터;
    상기 수신부에 수신된 주파수 성분을 증폭시키는 증폭부;
    상기 증폭부에서 증폭된 신호 중에서 평활 전압 대비 순간 이동하는 신호를 추출하는 비교부; 및
    상기 비교부에서 추출된 신호를 이용하여 상기 유로 내부의 먼지를 감지하는 제어부를 포함하고,
    상기 비교부의 제1 단자에는 RC 회로가 연결되어, 상기 RC 회로의 시정수 동안 평활 전압이 입력되고, 상기 비교부의 제2 단자에는 상기 증폭부에서 증폭된 신호가 입력되고, 상기 증폭부에서 증폭된 신호 중에서 문턱 전압 크기 이상의 신호를 추출하여 출력하는 것을 특징으로 하는 진공청소기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 빛을 투과시키면서 상기 유로 내부와 상기 발신부 및 상기 수신부 중 적어도 어느 하나를 격리하는 투과창을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진공청소기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 투과창은,
    제1 투과창; 및
    상기 제1 투과창과 마주보는 제2 투과창을 포함하고,
    상기 제1 투과창의 일측에 상기 발신부가 위치하고, 상기 제2 투과창의 타측에 상기 수신부가 위치하는 것을 특징으로 하는 진공청소기.
  4. 제2항에 있어서, 상기 발신부 및 상기 수신부는 상기 투과창에 대하여 동일 방향에 위치하는 특징으로 하는 진공청소기.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 비교부는 노이즈 성분을 제거하고 상기 신호를 추출하는 것을 특징으로 하는 진공청소기.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    제1 시간 동안 누적 감지한 먼지 파형이 제2 시간 이상 지속되면 먼지를 감지한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 진공청소기.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 비교부에서 추출된 신호의 폴링 에지와 라이징 에지 사이의 시간 차이를 계산하여, 상기 시간 차이가 일정시간 이상이면 먼지를 감지한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 진공청소기.
  13. 제1항에 있어서, 상기 증폭부와 상기 비교부는 하나의 집적 회로에 구비되는 것을 특징으로 하는 진공청소기.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 감지된 먼지 양에 따라 상기 청소기의 흡입력을 증감시키는 것을 특징으로 하는 진공청소기.
  15. 청소기 유로 내부에 빛을 토출하는 발신부;
    상기 발신부에서 토출된 빛이 상기 유로 내부를 통과하여 수신되는 수신부;
    상기 수신부와 상기 증폭부 사이에 연결되어 직류 성분을 제거하기 위한 교류 커플링 커패시터;
    상기 수신부에 수신된 주파수 성분을 증폭시키는 증폭부;
    상기 증폭부에서 증폭된 신호 중에서 평활 전압 대비 순간 이동하는 신호를 추출하는 비교부; 및
    상기 비교부에서 추출된 신호를 이용하여 상기 유로 내부의 먼지를 감지하는 제어부를 포함하고,
    제1 시간 동안 누적 감지한 파형이 제2 시간 이상 지속되는 제1 조건 및 상기 비교부에서 추출된 신호의 폴링 에지와 라이징 에지 사이의 시간 차이를 계산하여 상기 시간 차이가 일정시간 이상인 제2 조건 중 적어도 어느 한 조건이 만족하면 먼지를 감지한 것으로 판단하고,
    상기 비교부의 제1 단자에는 RC 회로가 연결되어, 상기 RC 회로의 시정수 동안 평활 전압이 입력되고, 상기 비교부의 제2 단자에는 상기 증폭부에서 증폭된 신호가 입력되고, 상기 증폭부에서 증폭된 신호 중에서 문턱 전압 크기 이상의 신호를 추출하여 출력하는 것을 특징으로 하는 먼지 감지장치.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 제15항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 감지된 먼지 양에 따라 상기 청소기의 흡입력을 증감시키는 것을 특징으로 하는 먼지 감지장치.

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