KR20060055474A - 자동차 앞유리의 환경 변화를 검출하는 장치 및 방법 - Google Patents

자동차 앞유리의 환경 변화를 검출하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

앞유리의 환경변화를 검출하는 장치는, 앞유리의 내부 표면에 평면 커패시터를 배치한다. 상기 평면 커패시터의 2개의 전극은 동일 평면 상에 배치되고, 상기 2개의 전극의 영역의 크기는 100제곱 센티미터보다 작으며, 상기 평면 커패시터는 앞유리의 환경 변화 및 자동차 설비가 작동한 후의 환경 변화를 검출하는 감지 부품이고, 상기 평면 커패시터는 전기적으로 센서 검출 회로에 연결되고, 상기 환경에 의해 영향을 받는 커패시터 내의 변동 신호는 상기 센서 검출 회로에 전송되고, 상기 센서 검출 회로는 커패시턴스의 변화에 반응하여 상기 장치를 제어하는 제어 신호를 제공한다. 본 발명에 따른 장치의 구조는 간단하다. 공지된 광전기식 커패시터 및 평면 커패시터 검출 장치는, 측정 영역이 작고 설치가 어렵다는 단점이 있으며, 빗물의 두께를 측정할 수 없고 오염에 의해 영향을 받기 쉬우며, 적응성이 떨어지고 비용이 높다. 본 발명에 따른 장치는 상술한 문제점을 해결할 수 있다.
앞유리(windshield), 평면 커패시터(plane capacitor), 전극(electrodes), 센서 검출 회로(sensor detection circuit)

Description

자동차 앞유리의 환경 변화를 검출하는 장치 및 방법{A DEVICE AND METHOD FOR DETECTING THE ENVIRONMENT CHANGE OF WINDSHIELD}
본 발명은 자동차 앞유리(windshield)의 환경 변화를 검출하는 검출 장치 및 이 검출 장치에 채택되는 검출 방법에 관한 것이다.
21세기를 맞이한 이래로, 자동차 공업 기술 발전의 방향에 있어서 자동차의 전자화와 지능화가 대세를 이루게 되었으며, 자동차의 안전성과 인공지능화도 대형 자동차 메이커들이 관심을 갖는 초점이 되었다. 자동 검출 시스템은 편리한 운전을 위한 인공지능화에 대한 일환일 뿐만 아니라, 자동차의 능동적 안전 시스템의 중요한 구성 부분이기도 하다. 비가 오는 날이나 공기의 상대 습도가 큰 환경에서, 자동차 앞유리 표면에는 빗물이 많거나 성에가 끼는 현상이 나타나 운전자의 시야를 방해하는 경우가 많이 발생한다. 그런데 종래 기술은 앞유리의 빗물이나 성에를 자동으로 검출하지 못하며, 경제적이고 실용적이며, 보급 응용에 적합한 검출 방법이 아직은 개발되지 않은 상태이다.
종래의 성에 제거 방식은 운전자가 수동으로 자동차 송풍 시스템의 방향을 조정하여 바람이 직접 자동차 앞창유리로 불도록 함으로써 성에를 없애는 것이다. 빈번하게 수동으로 송풍 방향을 조정하는 경우, 운전자의 주의가 분산되어 불안전 한 상황을 야기할 수 있다. 자동 성에 제거 시스템은 이미 자동차 분야에 관한 최신의 전자 기술로서 제기되었다. 이 전자기술의 내용은, 자동차 유리 내부 표면에 성에가 끼는 정도를 자동으로 감지하고, 또 이 감지 결과에 의하여 자동차 공조 시스템의 송풍 방향과 크기를 자동으로 조정하여 성에를 제거하고, 성에가 제거된 후에는 자동차 공조 시스템의 송풍 방향과 크기를 자동적으로 원상 복귀시키는 것이다. 지금까지 자동 성에 제거 시스템 중 센서 기술상의 문제를 완벽하게 해결할 수 없었기에, 지금까지 자동차 공업에서 자동 성에 제거 시스템의 응용 사례를 볼 수 없었으나, 머지않은 미래에 자동 성에 제거 시스템이 점차 자동차의 표준 장치가 될 것이라고 생각된다. 자동 성에 제거 시스템의 핵심 기술은 성에를 감지하는 센서에 관한 기술이며, 객관적으로 볼 때, 지금까지는 세계적으로 실용적인 자동차 전용의 성에 감지 센서를 찾아볼 수 없는 실정이다.
종래의 기술에서 자동 와이퍼 시스템의 핵심 기술은 빗물 감지 센서 기술인데, 객관적으로 지금까지는 세계적으로 빗물 감지 센서 기술이 매우 성숙된 단계는 아니며, 설령, 예컨대 독일의 폭스바겐, 미국의 크라이슬러, 프랑스의 시트로앵 등과 같은 일부 유명한 자동차 제조업체들이 그들의 자동차에 자동 와이퍼 시스템을 성공적으로 장착하였다고는 하나, 빗물 감지 센서 기술이 성숙되지 않아, 설치 난이도가 높고 원가가 높으며, 오작동률이 비교적 높다는 문제점을 안고 있다.
종래의 빗물 감지 센서 기술은 설치 형식에 따라 내장형과 외장형 두 종류로 나눌 수 있으며, 외장형은 센서를 모터 커버면, 자동차 정면 외부, 자동차 앞유리 외부 표면 등과 같은 앞유리 외부에 설치하는 것이다. 외장형 빗물 감지 센서의 특징은 빗물에 직접 접촉하는 접촉식 측정을 한다는 것인데, 우리가 알고 있는 외장형 빗물 감지 센서는 작동 원리에 따라 광전기식, 컨덕턴스식, 진동식과 평행판 커패시터식으로 나뉜다. 대다수의 외장형 빗물 감지 센서는 유리 외부 표면 상의 와이퍼가 움직이는 영역에는 직접 설치할 수 없으므로, 빗물의 양이 많은지 적은지만을 감지할 수 있을 뿐, 와이퍼의 작동 결과로서 나타나는 효과는 검출할 수 없으므로, 와이퍼에 대한 개루프 제어 시스템만을 형성할 뿐, 와이퍼 동작을 피드백할 수 있는 폐루프 제어 시스템은 형성할 수 없다. 이 외에, 외장형 빗물 감지 센서는 쉽게 오염되고 파손되는 것과 같은 결함도 있기 때문에, 외장형 빗물 감지 센서는 자동차 공업에서 응용되는 데에 한계가 있다. 내장형 빗물 감지 센서는 일반적으로 자동차 유리 내부 표면 상에서 와이퍼 동작 범위 안에 설치되는 것으로서, 반드시 비접촉식 검출 기술을 채택해야 하는데, 빗물의 양 및 와이퍼 동작의 효과를 동시에 감지하여, 와이퍼 제어기에 실시간으로 피드백 신호를 제공한다는 장점을 가지고 있고, 차내에 설치되므로 외부 환경으로 인한 오염이나 파손을 예방할 수도 있다. 현대 자동차 공업에서 내장형 빗물 감지 센서는 이미 대세로 자리잡았다.
현재 자동차 공업에서 널리 응용되는 내장형 빗물 감지 센서는 모두 광전기식이고, 광전기식 빗물 감지 센서는 다시 두 가지 형식으로 구분된다. 첫 번째는 자동차 유리 내부 표면 뒤에 캠을 설치하고, 카메라와 유사한 결상 원리를 이용, 캠이 수집한 이미지를 분석하고 처리하여 빗물량의 변화를 감지하는 것이다. 이런 광전기식 빗물 감지 센서는 센서부품, 데이터 처리 회로 및 컴퓨터 원가가 너무 높아서, 아직까지 자동차 공업에서 응용되지 못하고 있다. 다음으로, 자동차 공업에 서 이미 널리 채택되고 있는 두 번째 형식의 광전기식 빗물 감지 센서를 설명한다. 이 두 번째 형식은 자동차 유리 내부 표면에 광 트랜스미터와 리시버 장치 한 쌍을 설치하여, 빛의 반사와 굴절 원리를 이용한다. 자동차 유리 외부 표면에 빗방울이 닿을 때에 굴절률에 변화가 발생하므로 리시버단이 받아들이는 빛의 세기가 변화하며, 빗물 감지 센서가 빛의 세기 변화를 전자신호로 변환함으로써 빗물량의 변화를 감지하는 것이다. 광전기식 내장형 빗물 감지 센서에는 다음과 같은 결함이 있다.
1. 측정 면적이 작다. 비가 약하게 내리는 경우 단위 면적당 빗물 분포가 불균일하기 때문에, 측정 면적이 너무 작은 경우에는 자동 와이퍼 시스템의 반응이 정확하지 않게 된다. 광전기식 빗물 감지 센서의 트랜스미터 부속품은 일반적으로 점광원이기 때문에 측정 면적이 좁을 수 있고, 설령 렌즈나 프리즘을 이용하여 빛을 산란시킴으로써 굴절 면적을 확대할 수 있다고 하더라도, 이로 인해 리시버 부속품의 광 수신 감도에 악영향을 미칠 수 있다. 실제로 사용되는 광전기식 빗물 감지 센서의 측정 면적은 일반적으로 1 내지 2평방 센티미터 이하이다. 물론 여러 쌍의 트랜스미터와 리시버단을 설치하여 측정 면적을 넓힐 수는 있지만, 이로 인해 원가가 크게 상승할 수 있다.
2. 유리 표면에 묻은 빗물의 두께를 측정할 수 없다. 다량의 비가 내리는 경우 자동차 유리 외부 표면은 빗물에 의해 균일하게 덮히게 되고, 이 때에 빗물의 양은 유리 표면에 부착된 빗물의 두께 변화를 통해서만 측정 가능한데, 만약 빗물의 두께 변화를 측정하지 못한다면 자동 와이퍼 시스템 동작 속도가 느려지게 되어, 와이핑 효과에 영향을 주게 될 것이다. 광전기식 빗물 감지 센서의 작동 원리 는 광선의 굴절률 변화를 이용하는 것인데, 굴절률은 입사면의 물질 특성에만 관계되고, 물질의 두께와는 무관하므로, 광전기식 빗물 감지 센서는 빗물의 두께 변화를 반영할 수 없는 것이다.
3. 오염물에 간섭받기 쉽다. 자동차 유리 외부 표면이 오염물(예를 들어 흙먼지, 진흙, 기름때, 날벌레의 사체 등)로 인해 오염되면, 광선 굴절률이 상당히 크게 변화될 것인데, 광전기식 빗물 감지 센서는 오염물과 빗물을 구분하지 못하여 자동 와이퍼 시스템의 오작동을 야기한다.
4. 설치 공정이 너무 까다롭다. 광전기식 빗물 감지 센서는 트랜스미터와 리시버단을 설치함에 있어서 정확한 각도와 거리를 요구하며, 동시에 보조 렌즈 시스템을 설치할 때에도 상당히 정확한 위치와 각도를 요구한다. 이 외에, 자동차 진동의 영향을 고려하여, 자동차 진동으로 인해 광선의 궤도가 일탈되어 센서의 정밀도와 감도에 영향을 주지 않도록, 반드시 매우 견고하게 설치할 것도 요구한다.
5. 적응성이 약하다. 광전기식 빗물 감지 센서의 작동 원리는, 서로 다른 광학 특성을 갖는 각각의 자동차 유리에 대한 적응성이 너무 약하다. 유리의 재질은 굴절률과 반사율에 영향을 미치고, 유리의 두께는 트랜스미터단과 리시버단의 설치 각도와 위치에 영향을 미치기 때문에, 각각의 자동차 유리 설계에 맞추어 이에 대응하는 광전기식 빗물 감지 센서가 필요하다.
6. 재료, 설치, 노동시간 원가가 너무 높다. 광전기식 빗물 감지 센서가 필요로 하는 광전기 트랜스미터와 리시버 장치, 렌즈와 프리즘 시스템, 고정장치 등, 재료의 원가가 과도하게 높으며, 설치 공정상의 까다로운 조건에 의해 설치 및 노 동시간 원가가 너무 상승하기 때문에, 현존하는 자동 와이핑 시스템은 중고급 차량에만 적용된다.
상술한 광전기식 빗물 감지 센서 외에, 종래 기술에서는 커패시턴스형 빗물 감지 센서를 채택하는 경우도 간혹 있다. 예를 들면 다음과 같다.
1. 중국 특허 번호 02147854.6에 개시된 발명으로서, 이 특허발명은 커패시턴스 극판이 병렬로 배치된 평행판 커패시터형 외장형 빗물 감지 센서를 제공하는데, 이 센서의 외부 케이스상에 입수구와 출수구가 설치되어, 빗물에 대해 직접적인 접촉식 측정을 진행한다. 이 센서는 외장형 빗물 감지 센서의 전형적인 결함을 가지고 있다. 즉 와이퍼 움직임의 효과를 피드백할 수 없기 때문에, 폐루프 제어 시스템을 구성할 수 없으며, 오염과 파손에 취약하고, 구조가 복잡하다는 것이다. 이 센서는 전통적인 평행판식 커패시턴스 측정 원리를 채택한다.
2. “커패시턴스 결합식 습도 센서”에 관한 특허 문헌 US4805070A에서, 그 감지용 부속품은 전기저항 네트워크이고, 전기저항의 변화를 평행판식 커패시턴스의 원리를 이용하여 불변의 두 평행판식 커패시턴스를 통해 신호 발생기와 리시버까지 전달하는 것인데, 그 본질은 전통적인 전기저항식 습도 센서와 동일하다. 이 기술 방안은 신호 처리 회로와 감지용 부속품(전기저항 네트워크)의 비접촉식 연결 방법을 제공하므로, 유리를 관통하여 도선을 연결하는 어려운 문제를 피할 수 있다. 상술한 특허발명이 제공하는 기술 방안에 의하면, 그 감지용 부속품이 자동차 유리의 외부 표면에 설치되며 접촉식으로 빗물량을 측정하기 때문에, 감지용 부속품을 자동차 유리의 외부 표면에 설치함에 있어, 감지용 부속품의 재질과 설치 공 정에 있어 매우 까다로운 조건이 요구된다. 예컨대, 내부식성, 내마찰성, 내오염성을 갖추어야 하며, 와이퍼의 정상적인 작동에 영향을 주면 안된다. 동시에, 감지용 부속품을 자동차 유리의 외부 표면에 설치하여 접촉식으로 측정하기 때문에, 반드시 감지용 부속품의 전기 연결 문제를 해결해야 하므로, 상술한 특허가 제공하는 기술 방안은 두 겹 유리의 틈새에서 자동차 유리 외부 표면과 평행판식 결합 커패시턴스를 형성하는 극히 복잡한 비접촉식 연결 방법을 제공하는데, 이러한 방법은 공정이 너무 복잡하며, 설치 단가도 상승할 수 밖에 없다.
3. 특허 문헌 US5668478A에 개시된 기술 방안의 측정 원리는 US4805070A에 개시된 기술 방안의 측정 원리와 유사한, 접촉식 전기저항 변화 측정방법이다. 평행판식 커패시턴스를 사용하여 신호를 전송하며, US4805070A 마찬가지의 결함이 있다.
4. 특허 문헌 EP0333564A1에 개시된 발명이 제공하는 전자 빗물 탐측 장치는 커패시턴스 측정 원리를 이용하는데, 이 문헌의 발명이 제공하는 센서는 전형적인 외장형 접촉식 빗물 측정 센서이기 때문에, 이 센서는 방수 성능이 우수한 절연 피복층을 요구한다. 본 센서는 외장형 빗물 감지 센서의 전형적인 결함을 가지고 있다. 즉 와이퍼 움직임의 효과를 피드백할 수 없기 때문에, 폐루프 제어 시스템을 구성할 수 없으며, 쉽게 손상되거나 오염되고, 구조가 복잡하다는 점이다.
5. 특허 문헌 DE3937605A1에 개시한 발명에서, 이 발병에 사용되는 센서는 전통적인 평행판식 커패시턴스 측정 원리를 갖는데, 공개된 기술 방안에서 앞유리에 수층이 출현할 때에, 커패시턴스판이 수층과 각자 하나의 커패시터를 구성할 수 있으며, 확실히 이렇게 하면 두 개의 각자 독립된 평행판 커패시터를 구성할 수 있다. 이 발명의 센서는, 커패시터 극판이 반드시 이중 유리와 두 개의 기능 박막 사이에 설치될 것을 요구하는데, 현재의 자동차 공업에서 사용되는 앞유리는 이중인 것도 있으나 단층인 것도 있기 때문에, 본 센서의 적용 범위가 제한된다는 단점이 존재한다. 이 외에, 본 센서에는 구조의 복잡성, 설치와 인선의 어려움 등의 결함이 존재한다.
본 발명의 목적 중 하나는 상술한 종래 기술의 여러 가지 기술적 한계를 극복하고, 자동차 앞유리 표면의 빗물/성에 등의 환경 변화를 감지할 수 있는 장치를 제공하는 것이다. 이 장치는 구조가 간단하며 기존 광전기식 검출 장치 및 평면 커패시턴스형 검출 장치에 존재했던 기술적 한계, 예컨대 측정 면적이 작고, 빗물 두께를 측정할 수 없으며, 오염물의 간섭을 쉽게 받고, 설치가 너무 까다로우며, 적응성이 약하고 원가가 과도하게 높다는 등의 결점을 극복할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 자동차 앞유리의 환경 변화를 정확하게 감지할 수 있는 방법을 제공하는 것인데, 본 방법은 간단하고 실용적이며, 보급에 유리하다.
본 발명의 목적을 이루기 위한 자동차 앞유리의 환경 변화 검출 장치에 따르면, 유리의 내부 표면에 평면 커패시터를 설치한다. 상기 평면 커패시터의 두 극판은 동일 평면에 배치되며, 두 개의 상기 극판의 총면적은 100평방 센티미터보다 작고, 상기 평면 커패시터는 감지용 부속품으로서 앞유리 표면의 환경 변화 및 자동차 설비를 조작한 후에 초래되는 환경 변화를 감지한다. 상기 평면 커패시터는 센서 검출 회로에 전기적으로 연결되고, 상기 평면 커패시터가 외부 환경의 영향을 받아 야기된 전기용량 변화에 관한 신호는 상기 커패시터 검출 회로에 전송되며, 상기 센서 검출 회로는 검출된 전기용량 변화에 따라 자동차 설비 작동을 제어하는 제어 신호를 생성한다.
본 발명의 또 다른 목적을 해결하기 위해 제공되는 자동차 앞유리의 환경 변화 검측 방법은 다음 단계를 포함한다.
a. 검출 장치 초기화 단계；
b. 검출 장치의 신호 발생기가 테스트 신호를 생성하여, 생성된 테스트 신호를 평면 커패시터에 전송하는 단계；
c. 테스트 신호의 수치 변화를 검출하는 단계；
d. 테스트 신호를 처리 유닛에 전송하는 단계；
e. 처리 유닛이 테스트 신호의 변화에 따라 제어 신호를 생성하는 단계；
f. 제어 신호를 자동차 설비에 전송하는 단계；
g. 검출 장치가 유리 표면을 재검출하고, 피드백 신호를 생성하여, 처리 유닛에 전송하고, 폐루프 제어 시스템을 구성하는 단계.
본 발명에 의해 제공되는 자동차 앞유리의 환경 변화 검출 장치는 종래 기술에 비해 다음과 같은 장점이 있다. 본 발명에서 제공하는 평면 커패시터는 종래의 평행판식 커패시턴스 센서의 설계 방식을 크게 바꾼 것으로서, 두 개의 커패시턴스 극판을 평행하게 배치하지 않고, 커패시턴스의 두 극판을 동일 평면상에 배치한다. 내장형 평면 커패시턴스 센서를 형성하며, 이는 다음과 같은 장점을 가지고 있다.
1. 측정 면적이 넓다. 평면 커패시터의 극판을 임의의 모양으로 만들 수 있으며, 운전자의 시야를 방해하지 않는 조건으로 측정 면적을 임의로 확대할 수 있기 때문에, 광전기식 빗물 감지 센서의 측정 면적이 너무 작기 때문에 검출 시스템 반응이 둔감해지는 문제점을 근본적으로 해결할 수 있다.
2. 유리 표면에 부착된 빗물의 두께를 측정할 수 있다. 평면 커패시턴스의 매질 공간은 극판 상부의 유리와 유리 표면 및 외부 표면 부근의 반타원 구체형에 가까운 공간이므로, 이 공간 범위에서, 빗물 두께가 변하면 커패시터의 매질 공간의 비유전율이 변하게 되므로 전기용량이 변하게 될 것이다. 본 발명의 이러한 면에 의해, 종래의 광전기식 빗물 감지 센서가 빗물 두께의 변화를 측정하지 못해 자동 와이퍼 시스템의 동작 반응 속도가 느리게 되어 와이핑 효과에 영향을 주던 문제점이 극복된다.
3. 오염물의 간섭을 잘 받지 않는다. 물의 상대적인 비유전율은 일반적인 오염물보다 훨씬 크기 때문에, 평면 커패시터형 센서는 전기용량의 변화에 있어서 오염물이 미치는 영향과 물이 미치는 영향을 매우 쉽게 구분해 낼 수 있으므로, 광전기식 빗물 감지 센서가 오염물의 영향을 받아 자동 와이퍼 시스템의 오작동을 초래하던 문제점을 해결하였다.
4. 설치 공정이 매우 간단하다. 평면 커패시터형 센서는 접착, 압접, 뿜칠이나 유리 표면에 금속 도금하는 각종 공정 방법을 채택하여 유리 내부 표면에서 평면 커패시터를 형성할 수 있으며, 종래의 광전기식 빗물 감지 센서와 같은 정확한 위치 확정이 필요하지 않다.
5. 적응성이 강하다. 물의 비유전율은 유리보다 몇 십 배가 크므로, 유리 재료 및 유리 두께의 변동이 센서 정밀도와 감도에 미치는 영향을 무시해도 되고, 따라서 거의 모든 자동차 유리에 동일한 평면 커패시터형 센서를 적용할 수 있기 때문에, 각각의 자동차 유리에 적합한 센서를 특별히 다시 설계할 필요가 없다.
6. 재료, 설치, 노동시간 원가가 현저히 감소한다. 평면 커패시터형 센서는, 예컨대, 동박, 알루미늄박, 전도성 탄성 중합체, 전도성 플라스틱 박막, 유리 표면 도금 금속 뿜칠 등과 같은 각종 도전 재료를 선택하여 사용할 수 있으며, 일반적으로 십 평방 센티미터 정도의 아주 적은 양만 필요로 하므로, 재료 원가가 매우 낮다. 설치가 간단하고, 설치 및 설치 노동시간 원가도 종래의 광전기식 빗물 감지 센서에 비해 훨씬 낮다.
7. 본 발명에 의해 차내의 성에를 검출할 수 있기 때문에, 자동차 유리 성에 자동 제거 시스템에 적용할 수 있는 성에 맺힘 감지 센서가 없다는 문제점을 해결하였다. 본 발명의 평면 커패시터형 센서는 자동차 유리 내부 표면에 맺히는 성에의 양을 효과적으로 감지할 수 있고, 또한 자동차 유리 자동 성에 제거 시스템에 디지털 신호를 직접 송출함으로써, 자동차 유리 성에 자동 제거 시스템은 이 신호에 따라 송풍 방향과 송풍량을 자동으로 조절한다.
본 발명에 따라 제공되는 자동차 앞유리의 환경 변화 검출 방법은 다음과 같은 장점을 갖는다. 검출한 신호를 즉시 처리할 수 있으며, 관련된 자동차 설비의 작동을 제어함으로써 앞유리의 빗물을 제거하거나 성에를 제거할 수 있으며, 본 방법은 실현하기 쉽고, 보급 및 각종 응용에 적합하다.
도 1은 점전하에 의한 전자력선의 분포도이다.
도 2는 평행판식 커패시턴스 전자력선의 분포도이다.
도 3은 2개의 부채꼴형 극판의 평행 커패시터 전자력선의 분포도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 채택된 4개의 부채꼴형 극판으로 이루어진 평면 커패시터에 대한 설명도이다.
도 5는 본 발명의 매질 환경에서, 2개 부채꼴형 극판에 관련된 평면 커패시터 전자력선의 분포도이다.
도 6은 본 발명의 매질 환경에서, 2개의 부채꼴형 극판에 관한 평면 커패시터가 형성하는 측정 공간을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 등가 커패시턴스 측정 모형도이다.
도 8은 본 발명의 검출 회로도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예의 설치 구조 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예의 설치 위치 설명도이다.
도 11은 본 발명의 8개 부채꼴형 극판으로 구성된 평면 커패시터의 설명도이다.
도 12는 본 발명의 2개 부채꼴형 극판으로 구성된 평면 커패시터의 설명도이다.
도 13A는 본 발명의 2개 삼각형 극판으로 구성된 평면 커패시터의 설명도이다.
도 13B는 본 발명의 2개 직사각형 극판으로 구성된 평면 커패시터의 설명도이다.
도 14는 본 발명의 빗모양 평면 커패시터의 설명도이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예의 평면 커패시터 설명도로서, 평면 커패시터는 평면 곡선 극판으로 구성된다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예의 평면 커패시터 설치 위치를 설명하는 도면이다.
도 17은 직사각형 나선식 평면 곡선 극판으로 구성된 평면 커패시터의 설명도이다.
도 18은 다각형 나선식 평면 곡선 극판으로 구성된 평면 커패시터의 설명도이다.
도 19는 직사각형 꺾은선식 평면 곡선 극판으로 구성된 평면 커패시터의 설명도이다.
도 20은 원형 나선식 평면 곡선 극판으로 구성된 평면 커패시터의 설명도이다.
도 21은 직사각형 평행선식 평면 곡선 극판으로 구성된 평면 커패시터의 설명도이다.
도 22는 유리 표면에 설치된 원형 나선식 평면 곡선 극판으로 구성된 평면 커패시터의 자기장의 분포를 나타내는 설명도이다.
도 23은 본 발명의 응용 환경하에서의 평면 곡선 커패시턴스의 전자력선 분 포도이다.
이하 도면을 참조하여 실시예를 나타내고, 발명에 대해 자세하게 설명한다.
본 발명을 자세하게 설명하기 전에, 우선 종래 기술 및 본 발명의 동작 원리를 간단하게 설명한다.
종래의 커패시터형 센서는 평행판식 커패시터를 이용한 것인데, 그 원리는 다음과 같다. 만약 비균일 전기장(electric field)의 에지 효과를 고려하지 않으면, 두 평행판이 형성하는 커패시턴스, 즉 전기용량은 다음과 같다.
C=εㆍS/d
식에서, ε는 극판 사이 매질의 비유전율로서, ε= ε0ㆍεr의 관계가 있다. 여기서 ε0는 진공의 비유전율이며, ε0=8.854ㆍ10-12F/m의 값을 갖고, εr은 매질의 상대 진공 비유전율이다. 공기의 상대 비유전율은 εr≒1이고, 그 밖의 다른 매질에 대해서는 εr>1이다. S는 극판의 면적이고, d는 극판의 간격이다.
측정되는 매질에 변화가 생기면 커패시터형 센서에 관한 파라미터 ε，S, d가 변하므로, 전기용량 C가 이에 따라 변한다. 이러한 원리에 따라, 종래의 커패시터형 센서는 서로 다른 파라미터의 변화 방식에 의해 다음의 세 가지 유형으로 나뉜다. 가변간격식（파라미터 d를 변화시킴）；가변면적식（파라미터 S를 변화시킴）；가변 비유전율식（파라미터 ε를 변화시킴）.
본 발명에서 제시하는 평면 커패시터는, 커패시터의 두 극판을, 평행하게 배치하지 않고 일정 간극을 유지하여 동일 평면상에 배치하는 방식을 사용함으로써, 종래의 평행판식 커패시턴스 원리에 따른 커패시터형 센서와 현저히 다른 방식으로 구현된다. 본 발명의 커패시터형 센서는, 상술한 종래의 세 가지 커패시터형 센서 유형의 한 종류에 속하는 것이 아니라, 종합적인 커패시터형 센서로서, 가변간격식, 가변면적식 및 가변 비유전율식 커패시턴스 센서의 특성을 동시에 가지고 있다.
본 발명의 커패시턴스 측정 원리는 다음과 같다.
전기장 이론에서의 계전강도 벡터 중첩 원리에 따라, 커패시터의 특성은 전자력선 분포를 사용하여 나타낼 수 있다는 것을 알 수 있으며, 각각 점전하와 평행판 커패시터의 전자력선 분포를 나타내는 도 1과 도 2에 전자력선(10) 및 점전하(28, 29)가 도시되어 있다. 쉽게 설명하기 위해, 도 3에 반원형 평면 커패시터의 전자력선 분포를 나타내었다. 도 2에서 알 수 있듯이, 평행판 커패시터의 전자력선(10)은 주로 두 평행판 사이의 직사각형 공간에 분포하므로, 평행판 커패시터의 전기용량을 계산할 때에 평행판 에지 전기장의 영향을 무시하여 C=εㆍS/d라는 평행판 캐패시터의 전기용량 계산 공식을 얻을 수 있다. 같은 원리로, 도 3에서 알 수 있듯이, 평면 커패시터의 전자력선은 주로 두 평행 전극판 주위의 타원형 구체에 가까운 공간 내에 분포하며, 평면 커패시턴스 값의 계산은 이론적으로 너무 복잡하므로, 여기서는 자세하게 설명하지 않는다. 도 3과 도 4를 참조하면, 전기장의 벡터 중첩 원리 및 전기장 내에 존재하는 전기 매질의 성질을 근거로 추측해 보 면, 두 평행 전극판 주위의 타원형 구체에 가까운 자기장의 수평 장축 반경은 r1≒r+d/2이고, 수평 단축 반경은 r2≒r이며, 그리고 수직 단축 반경 r3은 근사적으로 각각 r과 d의 값에 정비례하고, 매질의 비유전율과 반비례한다고 할 수 있다.
도 5와 도 6을 참조하면, 도면에 본 발명과 관련된 응용 환경하에서 평면 커패시터의 전자력선의 공간 분포를 표시하였는데, 두 평행 전극판(1, 2)이 유리(9) 바로 밑에 부착되어 있고, 도 5와 도 6의 전자력선(10)의 분포 모양을 살펴보면, 서로 다른 매질의 영향을 받아, 두 평면 전극판(1, 2) 주위의 타원형 구체에 가까운 공간을, 다음과 같은 세 개의 서로 다른 서브공간으로 나눌 수 있다는 것을 알 수 있다. 즉, 자동차 유리(9)의 내부 표면 및 내부 표면에 바로 붙은 평면 전극판(1)과 전극판(2) 아래쪽의 반타원형 구체에 가까운 공간(N1), 평행판 전극(1)과 전극판(2)의 위쪽 및 자동차 유리(9)의 내부가 포함되는 편평 타원형 공간(N2), 자동차 유리(9) 외부 표면 부근에 형성된 반타원형 공간(Nx)으로 나눌 수 있다. 반타원형 구체에 가까운 공간(N1)과 편평 타원형 공간(N2)의 매질은 각각 균일한 공기와 유리이므로, 그 비유전율과 체적은 변하지 않는다고 할 수 있다. 그런데 반타원형 공간(Nx)은 평소에는 공기이지만, 기타 이물질이 진입하는 경우에는 그 비유전율과 체적에 커다란 변화가 발생할 것이다. 반타원형 공간(Nx)이 바로 본 발명에서 측정하는 공간이다.
상술한 설명을 바탕으로, 도 7에 본 발명에서 제시한 등가 커패시턴스 모형을 도시하였다. 그 중, 병렬 등가 커패시턴스(C3)는 반근사 타원형 구체 공간(N1)과 편평 타원형 공간(N2)에서 확정되는 불변 커패시턴스이고, 직렬 커패시턴스(C1, C2)는 평면 전극 위쪽의 자동차 유리 외부표면을 투과하나 자동차 유리 외부 표면 이내에 봉쇄된 공간에서 결정되는 불변 커패시턴스며, 커패시턴스(Cx)는 반타원형 공간(Nx)이 형성하는 가변 커패시턴스다. 커패시턴스(Cx)의 전기용량은 반타원형 공간(Nx)에 들어오는 이물질의 비유전율, 이물질이 커버하는 면적, 및 이물질이 반타원형 공간(Nx)에서 형성하는 두께가 동시에 작용하여 결정되며, 이 두께는 이론적으로는 평행판 커패시터의 간격과 동일할 수 있다.
본 발명의 원리에 대한 상술한 설명에 의해 다음의 두 가지 결론을 얻을 수 있다.
1. 본 발명에서 제시한 평면 커패시터는 종래의 어떠한 종류의 커패시터형 센서와도 다른 것으로서, 이는 가변면적형, 가변간격형, 그리고 가변 비유전율형을 포함하는 종합적인 커패시터형 센서며, 그것은 면적, 간격과 비유전율 세 가지 파라미터의 변화를 동시에 감지할 수 있다.
2. 본 발명에서 제시한 평면 커패시터는 자동차 유리 표면 근처의 이물질을 구분할 수 있을 뿐만 아니라, 동시에 센서상에서 자동차 유리 표면의 이물질이 커버하는 면적과 두께도 감지할 수 있는데, 이는 바로 기존의 광전기식 센서가 할 수 없었던 것이었다.
본 발명의 발명 원리를 설명한 후에, 이하 상술한 원리를 이용하여 제작한 자동차 앞유리의 환경 변화 검출 장치를 설명하는데, 여기에서 말하는 환경 변화는 주로 자동차 앞유리 외부 표면의 빗물과 앞유리 내부 표면의 성에에 관한 것으로서, 두 가지 환경에서 사용하는 원리 및 장치는 기본적으로 동일하고, 다만 사용하 는 평면 커패시터의 모양에만 차이점이 있다. 그러므로, 본 발명은 우선 앞유리 외부 표면의 빗물 검출에 관한 것과, 와이퍼 동작 자동 제어의 기술 방안에 맞추어 설명한다.
도 4, 도 9 및 도 10을 참조하면, 자동 와이퍼 센서의 일실시예로서, 한 면에 테이프가 붙은 동박 테이프를 반경이 r=2cm인 4개의 부채꼴형 전극판(11, 12, 21, 22)으로 가공하며, 상기 전극판(11, 12, 21, 22)의 총면적은 약 12평방 센티미터이다. 상기 전극판(11, 12, 21, 22)은, 자동차 후시경(19)의 후면에 운전자의 시야를 방해하지 않는 위치의 자동차 앞창유리(9)의 내부 표면에 부착되어, 평면 커패시터의 두 전극을 형성하고, 자동차 앞유리(9)의 내부 표면상에 설치되어 비접촉식 측정의 목적을 실현할 수 있다. 동시에, 상기 평면 커패시터의 설치 위치는 와이퍼가 움직이는 작동 범위 내에 속해야 한다. 유리 표면에 빗물이 존재하는지에 대해 검사를 할 뿐만 아니라, 와이퍼 동작의 효과에 대해서도 검출을 진행한다. 상기 극판(1, 2)의 간격은 d=4mm이다. 두 개의 차폐 도선(14)의 한쪽 단부는 각각 평면 커패시턴스의 두 전극판(1, 2)에 용접되고, 사람이 실수로 파손하는 것을 방지하기 위하여, 평면 전극판(1, 2) 후면에 원추형 플라스틱 보호커버(24)를 덮는데, 원추형 플라스틱 보호커버(24)는 자동차 앞창유리(9)의 내부표면에 부착되며, 차폐 도선(14)를 보호하기 위하여, 원추형 플라스틱 보호커버(24)의 위쪽에서 플라스틱 슬리브(13)를 통하여 차폐 도선(14)을 자동차 정상부 외부케이스(17)와 자동차 정상부 내부장식(16)의 겹층 안으로 끌어내며, 두 개의 차폐 도선(14)은 자동차 정상부 외부케이스(17)와 자동차 정상부 내부장식(16) 겹층의 회로기판(15)에 전기 적으로 연결되고, 회로판(15)은 차폐층을 가진 플라스틱 외부케이스(23)에서 전자 차폐와 보호를 진행하며, 센서의 디지털 전송 신호는 차폐 LIN(Local Interconnect Network) 버스 케이블(18)을 통하여 자동 와이퍼 시스템의 제어 유닛으로 전송된다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 의한 상술한 일실시예에서, 평면 커패시터 전극의 한쪽 단부가 사인파 신호 발생기(31)의 출력단에 연결되고, 다른 쪽 단부는 프로그램 모의 신호 증폭 및 여파 회로(32)의 입력단에 연결된다. 프로그램 모의 신호 증폭 및 여파 회로(32)는 마이크로프로세서(34)의 프로그램에 의해 제어되며, 측정 범위 적응 조절을 진행하고, 사인파 신호 발생기(31)가 생성하는 일정한 주파수의 사인파 신호(35)는 평면 커패시터를 통과한 후에, 감쇠된 사인파 신호(37)로 변환되며, 이 신호(37)는 프로그램 모의 신호 증폭 및 여파 회로(32)에 의해 수신되고, 증폭 및 여파를 거친 후에 직류 전압 신호를 하나 생성하며, 계수 변환 회로(33)를 통해 디지털 전압 신호로 변환되어 마이크로프로세서(34)로 전송되며, 이 디지털 전압 신호는 마이크로프로세서(34)에서 디지털 여파, 디지털 선형화 처리 및 디지털 적응 알고리즘 조정을 거친 후에 센서의 디지털 출력 신호를 형성하여 차폐 LIN（Local Interconnect Network 현장 연결 네트워크）버스 인터페이스 회로(36)로 전송된 후, 차폐 LIN 버스 케이블(18)을 통해 자동 와이퍼 시스템의 제어 유닛으로 전송된다. 본 발명에 사용되는 테스트 신호는 구형파 신호일 수도, 삼각파 신호일 수도 있다.
도 4, 도 11 내지 도 14을 참조하면, 본 발명에 따른 상술한 실시예 중에서, 상기 평면 커패시터의 극판에 채택되는 전도성 재료에는 동, 알루미늄, 은, 전도성 탄성 중합체, 전도성 플라스틱, 전도성 고무, 투명 전도성 박막이 포함된다. 상기 평면 커패시터 극판은, 예컨대 접착, 압박고정, 뿜칠과 같은 여러 가지 설치 방식을 통해, 자동차 유리 내부 표면의 운전자의 시야를 방해하지 않는 위치에서 한 쌍의 평면 전극을 형성한다. 이 평면 전극은 직사각형, 부채꼴, 삼각형, 다각형과 같은 여러 가지 모양일 수 있는데, 예컨대, 도 4는 4개 부채꼴형 극판으로 구성되는 평면 커패시터, 도 11는 8개 부채꼴형 극판으로 구성되는 평면 커패시터, 도 12는 2개 부채꼴형 극판으로 구성되는 평면 커패시터, 도 13A는 2개의 삼각형 극판으로 구성되는 평면 커패시터, 도 13B는 2개의 직사각형 극판으로 구성되는 평면 커패시터, 도 14는 빗모양 극판으로 구성되는 평면 커패시터를 각각 도시한다. 여러 개의 전극 극판이 있는 경우, 도선을 사용하여 각각 서로 연결하여 평면 커패시턴스의 두 극으로 삼는데, 도 4에서 도시한 4개의 부채꼴형 극판 평면 커패시터에서, 2개의 극판(11,12)은 평면 커패시턴스의 한쪽 극으로서 연결되며, 나머지 2개의 극판(21,22)은 평면 커패시턴스의 다른 한쪽 극으로 연결된다. 도 11에 도시한 8개의 부채꼴형 극판이 구성하는 평면 커패시터에서, 4개의 극판(41,43,45,47)은 평면 커패시터의 한쪽 극으로 연결되며, 나머지 4개의 극판(42,44,46,48)은 평면 커패시터의 다른 한쪽 극으로 연결된다. 설치할 때에, 평면 커패시터의 극판과 유리 내부 표면의 긴밀한 접촉이 보장되어야 하며, 공기 간극으로 인해 센서의 성능이 영향을 받지 않도록 해야 하며, 바람직하게는 유리 표면에 금속 도금하는 방법이 있을 수 있다. 실험에 의하면, 평면 커패시터 극판의 총면적이 100평방 센티미터보 다 작은 것은 모두 가능하지만, 원가 절약의 차원에서, 그리고 사용 효과에 있어서 10－20평방 센티미터가 가장 좋다는 것을 알 수 있다. 두 극판의 간극(d)은 자동차 유리의 두께와 거의 동일해야 한다. 평면 커패시터의 정전 커패시턴스값은 0.2-5pf 사이이고, 커패시턴스값의 측정 감도는 0.1fp보다 높아야 한다.
본 발명에 따른 앞유리 외부 표면의 빗물 검출 및 와이퍼 동작의 자동 제어에 응용되는 기술 방안을 상술하였으므로, 이제 본 발명이 자동차 앞유리 내부 표면 성에 맺힘 정도 검출에 응용되는 기술 방안을 설명한다.
도 15, 도 22와 도 23을 참고하면, 본 발명의 성에 감지의 커패시터 공간의 매질과 빗물 감지의 커패시터 공간의 매질이 약간 다르며, 본 발명의 두 극판(1, 2) 사이의 간격(d)을 자동차 유리(9)의 두께보다 훨씬 작게 설치하고, 이 때에 두 극판(1, 2) 주위의 편평 매질 공간은 두 개의 서로 다른 공간으로 구분할 수 있이다. 이렇게 나뉜 두 공간은, 평면 전극 위쪽의 자동차 유리(9) 내부에 국한된 상부 편평 공간(N2)과 자동차 유리 안쪽 표면과 평면 곡선 전극 아래쪽의 하부 편평 매질 공간(N1)이다. 상부 편평 공간(N2)의 매질이 균일한 유리이므로, 상부 편평 공간(N2)의 비유전율과 체적은 변하지 않는다고 볼 수 있으나, 하부 편평 공간(N1)은 공기이고, 성에가 맺히면 이 공간(N1)에 가늘고 작은 물방울이 생긴다. 물방울의 밀도, 물방울의 크기 및 물방울의 비유전율에 의해 하부 편평 공간(N1)의 유효면적, 두께 및 평균 비유전율의 변화가 야기될 것이므로, 이때 하부 편평 공간(N1)이 바로 본 발명에서 측정하는 공간이다.
상술한 원리에 따라, 도 15 및 도 16을 참조하면, 본 발명은 투명 플라스틱 박막 기판으로 가요성 회로판(5)을 채택하여 반경 r=3cm, 간격 d=0.5mm, 선의 너비가 0.3mm인 한 쌍의 다각형 나선 평면 곡선 전극판으로 가공하고, 두 전극판의 총면적은 약 10평방 센티미터이며, 그 중에, 두 극판(1, 2)은 각각 평면 커패시터의 두 전극을 구성한다. 공기 대류의 원리에 따라 찬공기는 하락하고 더운 공기는 상승하므로, 자동차 앞유리(9)의 아래에서 위로 올라가면서 성에가 맺히게 되는 것이 일반적이다. 좌측에서 운전하는 자동차에 대해서는, 상기 평면 커패시터는 자동차 앞유리(9) 내부 표면의 오른쪽 아래 모서리에 부착되며, 우측에서 운전하는 자동차에 대해서는, 평면 커패시터는 자동차 앞유리(9) 내부 표면의 왼쪽 아래 모서리에 부착된다. 상술한 위치에 부착함으로써, 평면 커패시터가 운전자의 시야를 방해하지 않으면서도 정확하고 즉각적으로 성에 맺힘 정도를 검측해 낼 수 있도록 한다. 자동차 앞유리(9)의 내부 표면상에 평면 가요성 회로판(5)이 만드는 곡선 커패시터가 붙어있고, 가요성 회로판(5)으로부터 연장된 부분이 자동차 정상부 외부케이스(17)와 자동차 정상부 내부장식(16)의 겹층 사이로 연장되어 들어가게 된다. 두 개의 차폐 도선(14)의 한쪽 단부는 각각 평면 곡선 커패시터의 두 극판(1, 2)에 용접되고, 차폐 도선(14)을 자동차 정상부 외부케이스(17)와 자동차 정상부 내부장식(16)의 겹층 사이로 끌어내며, 두 차폐 도선(14)의 다른 한쪽 단부는 자동차 정상부 외부케이스(17)와 자동차 정상부 내부장식(16) 겹층에 설치된 지능 신호 처리 유닛 회로판(15)에 전기 연결되고, 차폐층을 가진 플라스틱 외부케이스는 전자 차폐를 통해 회로판(15)을 보호하며, 센서의 디지털 전송 신호는 차폐 LIN 버스 케이블(18)을 통과하여 자동 성에 제거 시스템의 제어 유닛으로 전송된다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 상술한 실시예에서, 평면 커패시터 극판의 한쪽 단부는 사인파 발생 회로(31)의 출력단에 연결되고, 다른 한쪽 단부는 프로그램 모의 신호 증폭 및 여파회로(32)의 입력단에 연결된다. 프로그램 모의 신호 증폭 및 여파회로(32)는 마이크로프로세서(34)의 프로그램에 의해 제어됨으로써 측정 범위 적응 조절을 하고, 사인파 발생 회로(31)가 생성하는 일정한 주파수의 사인파 신호(35)는 평면 커패시터를 통과한 후에, 감쇠된 사인파 신호(37)로 변환되며, 이 신호(37)는 프로그램 모의 신호 증폭 및 여파 회로(32)에 의해 수신되고, 증폭 및 여파를 거친 후, 직류 전압 신호를 생성하며, 계수 변환 회로(33)를 통해 디지털 전압 신호로 변환되어 마이크로프로세서(34)로 전송되고, 이 디지털 전압 신호는 마이크로프로세서(34)에서 디지털 여파, 디지털 선형화 처리 및 디지털 적응 알고리즘 조정을 거친 후에 센서의 디지털 출력 신호를 형성하여 LIN（Local Interconnect Network 현장 연결 네트워크）버스 인터페이스 회로(36)로 전송되고, 차폐 LIN 버스 케이블(18)을 통해 자동 성에 제거 시스템의 제어 유닛으로 전송된다.
본 발명에 따른 자동 성에 제거 센서는 여러 가지 전도 재료를 극판의 재료로 채택할 수 있다. 예컨대, 동, 알루미늄, 은, 전도성 탄성 중합체, 전도성 플라스틱, 전도성 고무, 투명 전도성 박막을 포함하며, 여러 가지 공정 방법, 예를 들어 접착, 압박고정, 뿜칠을 통해, 자동차 유리 내부 표면상의 운전자의 시야를 방해하지 않는 위치에서 한 쌍의 평면 곡선 전극을 형성하고, 이 평면 전극은 여러 가지 모양일 수도 있는데, 그 중에 도 17에 도시된 것은 직사각형 나선식 평면 커 패시터, 도 18에 도시된 것은 다각형 나선식 평면 커패시터, 도 19에 주어진 것은 직사각형 꺾은선식 평면 커패시터, 도 20에 도시된 것은 원형 나선식 평면 커패시터, 그리고 도 21에 도시된 것은 직사각형 평행선식 평면 커패시터다. 평면 곡선 전극과 유리 내부 표면은 밀착하여 접촉되어야 하며, 바람직하게는 유리 표면을 금속 도금하는 것이 좋다.
실험에 의해, 평면 곡선 회로판의 거리는 0.5mm보다 적은 것이 좋으며, 곡선 회로판의 선의 너비는 0.3mm보다 작은 것이 좋다는 것이 판명되었다. 일반적으로 용접, 압접, 접착이나 전도성 탄성 중합체 등 임의의 연결 방법을 통해 두 회로판과 도선을 접합시키는데, 도선으로서 차폐선을 사용하는 것이 바람직하다. 이제, 본 발명에 따른 장치를 이용하여 자동차 앞유리 표면에 대해 환경 변화의 검출을 진행하는 방법을 상술한다.
도 26을 참조하면, 본 발명에 따른 검출 방법은 다음과 같은 절차를 포함한다.
a. 검출 장치를 초기화하는 단계；
b. 검출 장치 중의 신호 발생기(31)가 테스트 신호(35)를 생성하여 평면 커패시터에 전송하는 단계；
c. 테스트 신호(35)의 수치 변화를 검출하는 단계；
d. 테스트 신호(35)를 처리 유닛으로 전송하는 단계；
e. 처리 유닛이 테스트 신호(35)의 변화에 따라 제어 신호를 생성하는 단계；
f. 제어 신호를 자동차 설비에 전송하는 단계；
g. 검출 장치가 다시 유리 표면의 환경을 검출하여, 피드백 신호를 생성하고, 이 신호를 처리 유닛에 전송하여, 폐루프 제어 시스템을 구성하는 단계.
본 발명의 검출 장치를 초기화할 때에, 자동차 유리의 재료와 두께, 평면 커패시터 감응 부속품의 면적 및 설치 방식, 환경 온도, 습도 조건을 고려하여, 평면 커패시터 감응 부속품의 정전 초기값을 검출 및 설정한다. 물질마다 그 매질 상수가 서로 다르기 때문에, 검출 장치는 각각의 물질에 따라 서로 다른 초기값을 설정함으로써 어떠한 종류의 물질이 유리 표면에 부착되었는지 판단한다. 예컨대, 평면 커패시터가 있는 유리 표면에 물이 존재하는 경우, 평면 커패시터의 커패시턴스값에 변화가 발생하는데, 이 때 커패시터의 변화량을 설정하여, 물이 유리 표면에 부착되었다고 판단하는 표준으로 삼는다.
본 발명에서 설명한 테스트 신호의 주파수는 100kHZ－1000kHZ이다. 상술한 주파수를 사용하여 본 발명의 검출 요건을 충족시킬 수 있으며, 본 발명의 검출 정밀도를 제고하였다. 상기 평면 커패시터의 정적 커패시턴스 값은 0.2-5pf 사이로서, 평면 커패시터가 비교적 높은 감도를 가지고 있는 것이, 본 발명의 요구를 충족시킬 수 있다.
도 5, 도 8 및 도 26을 참조하면, 본 발명에 의한 방법은 다음과 같이 구현된다. 자동차 앞유리(9)의 안쪽 표면에 평면 커패시터를 설치하는데, 상기 평면 커패시터의 두 극판(1, 2)은 동일한 평면상에 배치되고, 그것을 감지용 부속품 삼아 앞유리(9) 표면의 환경 변화를 검출하며, 외부 환경의 영향에 따른 상기 평면 커패시터의 전기용량(Cx)의 변화에 관한 신호는 센서 검출 회로(3)에 전송되고, 상기 센서 검출 회로(3)는 검출한 전기용량(Cx)의 변화값에 따라 자동차 설비 동작을 제어하는 제어 신호를 생성한다. 상기 센서 검출 회로(3)는 신호 발생기(31), 프로그램 모의 신호 증폭 및 여파 회로(32), 계수 변환 회로(33), 마이크로프로세서(34)를 포함하고, 상기 신호 발생기(31)는 평면 커패시터에 전송되는 테스트 신호(35)를 생성하며, 테스트 신호(35)의 변화는 상기 평면 커패시터의 전기용량(Cx)의 변화를 반영할 수 있으므로, 테스트 신호(35)의 변화량은 유리 표면 환경의 변화를 반영할 수 있다. 상기 평면 커패시터의 테스트 신호(35)가 상기 프로그램 모의 신호 증폭 및 여파 회로(32)에 입력되고, 증폭 및 여파를 거친 후에, 직류 전압 신호를 하나 생성하며, 상기 직류 전압 신호는 상기 계수 변환 회로(33)를 거쳐서 디지털 전압 신호로 변환되고, 상기 마이크로프로세서(34)는 상기 디지털 전압 신호를 입력 받아, 상기 디지털 전압 신호에 대해 디지털 여파, 디지털 선형화 처리 및 디지털 적응 알고리즘 조정을 진행하고, 자동차 설비 작동을 제어하는 센서 디지털 출력 신호를 생성한다. 상기 자동차 설비는 와이퍼 장치일 수도 있고 성에 제거 장치일 수도 있다.
본 발명은, 측정 영역을 넓게 잡을 수 있고, 설치가 간편하며, 빗물의 두께를 측정할 수 있고, 앞유리의 오염에 의한 영향을 쉽게 받지 않으며, 성에의 존재도 함께 검출하는 효과가 있다.

Claims (20)

  1. 자동차 앞유리의 내부 표면에 배치되며, 2개의 극판(electrodes)(1, 2)을 갖는 평면 커패시터(plane capacitor); 및
    센서 검출 회로(sensor detection circuit)(3)를 포함하고,
    상기 평면 커패시터는 감지용 부속품으로서 상기 앞유리 표면의 환경 변화 및 자동차 설비 작동 후의 환경 변화를 검출하며,상기 센서 검출 회로(3)와 연결되고,
    상기 평면 커패시터의 상기 두 극판(1, 2)은, 동일한 평면 상에 배치되며, 그 총 면적이 100평방 센티미터보다 작고,
    외부 환경 변화에 따라 상기 평면 커패시터로부터 발생되는 전기용량 변화 신호가 상기 센서 검출 회로(3)에 전송되며,
    상기 센서 검출 회로(3)는, 검출한 상기 전기용량 변화에 따라 상기 자동차 설비 작동을 제어하는 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 자동차 앞유리의 환경 변화 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서 검출 회로（3）는, 신호 발생기（31）, 프로그램 모의(simulation) 신호 및 여파 회로（32）, 계수 변환 회로（33）, 및 마이크로프로세서（34）를 포함하고,
    상기 신호 발생기（31）는, 평면 커패시터에 전송되는 테스트 신호（35）를 생성하고,
    상기 프로그램 모의 신호 증폭 및 여파 회로（32）는, 상기 평면 커패시터의 상기 테스트 신호（35）를 입력하여 증폭 및 여파를 수행한 후에 직류 전압 신호를 생성하고,
    상기 계수 변환 회로（33）는, 상기 직류 전압 신호를 디지털 전압 신호로 변환하고,
    상기 마이크로프로세서（34）는, 상기 디지털 전압 신호를 입력하여, 상기 디지털 전압 신호에 대해 디지털 여파, 디지털 선형화 처리 및 디지털 적응 알고리즘 조정을 수행하여, 상기 자동차 설비 작동을 제어하는 센서 디지털 출력 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 자동차 앞유리의 환경 변화 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 평면 커패시터의 상기 극판（1, 2）은, 직사각형, 부채꼴형, 삼각형, 및 다각형으로 되어 있는 것을 특징으로 자동차 앞유리의 환경 변화 검출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 평면 커패시터가, 두 개의 빗(comb)모양 극판（1, 2）이 교착되어 형성된 것을 특징으로 하는 자동차 앞유리의 환경 변화 검출 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 평면 커패시터의 상기 두 극판（1, 2）은 동일한 평면상에 배치되고, 평행 도선에서 일정 간격을 두고 곡선 모양으로 형성된 평면 커패시터임을 특징으로 하는 자동차 앞유리의 환경 변화 검출 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평면 커패시터의 상기 두 극판（1, 2）에 사용되는 전도성 재료가, 동, 알루미늄, 은, 전도성 접착 테이프, 전도성 플라스틱, 투명 전도성 박막 또는 전도성 고무 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 앞유리의 환경 변화 검출 장치.
  7. 제1항 또는 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 평면 커패시터의 상기 두 극판（1, 2）은, 각각 도선으로 연결되는 여러 개의 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차 앞유리의 환경 변화 검출 장치.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평면 커패시터는, 자동차 앞유리(9)의 내부 표면 상에 접착, 압력고정, 또는 뿜칠 방법으로 설치 가능한 것을 특징으로 하는 자동차 앞유리의 환경 변화 검출 장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 테스트 신호（35）는, 사인파 신호, 사각파 신호 또는 삼각파 신호임을 특징으로 하는 자동차 앞유리의 환경 변화 검출 장치.
  10. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 평면 커패시터의 상기 두 극판（1, 2）의 면적은 10 내지 20평방 센티미터임을 특징으로 하는 자동차 앞유리의 환경 변화 검출 장치.
  11. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 평면 커패시터의 상기 두 극판（1, 2） 사이의 거리는, 상기 두 극판이 설치된 부분의 앞유리(9）의 두께와 동일한 것을 특징으로 하는 자동차 앞유리의 환경 변화 검출 장치.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 평면 커패시터의 상기 두 극판（1, 2）의 모양이 꺾은 선, 나선, 또는 평행선 모양으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차 앞유리의 환경 변화 검출 장치.
  13. 제5항에 있어서,
    상기 평면 커패시터의 상기 두 극판（1, 2）사이의 간격이 상기 두 극판이 설치된 부분의 앞유리（9）의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 자동차 앞유리의 환경 변화 검출 장치.
  14. 제5항에 있어서,
    상기 평면 커패시터의 상기 두 극판（1, 2）의 선의 너비가 0.3mm 보다 작은 것을 특징으로 하는 자동차 앞유리의 환경 변화 검출 장치.
  15. a. 검출 장치를 초기화 하는 단계；
    b. 상기 검출 장치의 신호 발생기（31）가 테스트 신호（35）를 생성하여 평면 커패시터에 전송하는 단계;
    c. 상기 테스트 신호（35）의 수치 변화를 검출하는 단계；
    d. 상기 테스트 신호（35）를 처리 유닛에 전송하는 단계；
    e. 상기 처리 유닛이 상기 테스트 신호（35）의 변화에 따라 제어 신호를 생성하는 단계;
    f. 상기 제어 신호를 설비에 전송하는 단계; 및
    g. 상기 검출 장치가 상기 자동차 앞유리 표면의 환경을 다시 검출하고, 피드백 신호를 생성하여 상기 처리 유닛에 전송하고, 폐루프 제어 시스템을 구성하는 단계;
    를 포함하는, 제1항의 검출 장치를 이용한 자동차 앞유리의 환경 변화 검출 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 검출 장치를 초기화하는 단계가, 자동차 유리의 재료와 두께, 평면 커패시터 감응 부속품의 면적과 설치 방식, 환경 온도, 및 습도 조건에 따라, 상기 평면 커패시터 감응 부속품의 정전(electro-static) 초기값을 검출 및 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 앞유리의 환경 변화 검출 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 테스트 신호（35）가, 사인파 신호, 사각파 신호 또는 삼각파 신호임을 특징으로 하는 자동차 앞유리의 환경 변화 검출 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 테스트 신호(35)의 주파수가 100kHZ 내지 1000kHZ임을 특징으로 하는 자동차 앞유리의 환경 변화 검출 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 평면 커패시터의 정전 커패시턴스값이 0.2pf 내지 5pf 임을 특징으로 하는 자동차 앞유리의 환경 변화 검출 방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 제어 신호가 제어하는 설비가, 와이퍼 장치 및/또는 성에 제거 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 앞유리의 환경 변화 점출 방법.
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