KR20070118984A - 먼지센서 및 이를 구비한 먼지집진정도 검출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 먼지센서 및 이를 구비한 먼지집진정도 검출장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 먼지집진정도 검출장치는, 상기 공기필터의 서로 인접되고 마주보는 두개의 집진면들 사이의 공간을 사이에 두고 두개의 전극들을 배치하여, 상기 두개의 전극들 사이의 먼지집진정도에 따른 유전율 변화에 따라 변화된 정전용량을 출력하는 먼지센서와; 상기 먼지센서로부터 출력되는 상기 정전용량의 변화정도를 통해 상기 공기필터의 먼지집진정도를 검출하는 먼지센서 신호처리회로를 구비한다. 본 발명에 따르면, 공기필터에 쌓인 먼지나 분진의 양을 측정할 수 있으며,공기필터의 교체시기 또는 청소시기를 자동으로 알 수 있다

공기필터, 먼지, 집진, 교체, 콘덴서, 용량

Description

먼지센서 및 이를 구비한 먼지집진정도 검출장치{Dust sensor and dust collecting degree detector having the same}

본 발명은 먼지센서 및 이를 구비한 먼지집진정도 검출장치에 관한 것으로, 저비용 및 고효율 구조로써 간단하게 공기필터의 교환시기나 청소시기를 알 수 있는 먼지센서 및 이를 구비한 먼지집진정도 검출장치에 관한 것이다.

일반적으로 공기를 필터링하는 공기필터(air filter)는 에어콘, 공기청정기, 자동차 등 다양한 장치나 기기에 사용되고 있다.

특히 자동차의 경우에는, 운전석에 부착된 공기세기 조절장치와 온도조절장치를 통하여, 자동차 내부에 찬 공기 또는 따뜻한 공기를 공급하여 자동차 내부의 온도를 일정하게 유지하고 있다. 이때 외부에서 차내로 흡입되는 공기는 도 1에 도시된 공기 흡입 경로를 통하여 흡입된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 외부에서 차내로 흡입되는 공기는 흡입펌프(30)에 의하여 자동차 내부로 공기이동통로(40)를 통하여 이동된다. 흡입되는 공기에는 인체에 유해한 먼지나 분진들이 들어 있으므로 이를 제거하기 위하여 외부 공기흡입구와 흡입펌프(30)사이에 공기이동통로(40)에 공기 필터(50)가 사용된다.

그러나 공기필터를 오래 사용하여 먼지나 분진 등이 많이 쌓이면 펌프의 흡입력이 떨어져 냉난방 성능이 저하될 뿐만 아니라 곰팡이 등이 자라서 지저분한 냄새가 난다. 이를 방지하기 위해서는 먼지나 분진 등이 일정량이상 축적되면 공기필터를 교체해야 한다.

상기 공기필터를 교체하기 위해서는 공기필터의 먼지량이나 수명을 측정할 수 있어야 한다.

상기 공기필터의 먼지량을 측정하는 방법으로는 적외선을 이용하여 빛의 산란을 이용하는 방법, 공기필터 전후의 압력차를 측정하는 방법, 공기필터를 통과한 바람의 속도를 측정하는 방법 및 흡입모터가 소비하는 전력을 측정하는 방법 등이 제안되어 왔다. 그러나 이러한 방법이외에도 저비용이면서 간단하게 공기필터의 먼지량 즉 먼지 집진정도를 측정하는 장치의 대한 요구는 계속되어 왔다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 먼지센서 및 이를 구비한 먼지집진정도 검출장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 공기필터에 쌓인 먼지나 분진의 양을 측정할 수 있는 먼지센서 및 이를 구비한 먼지집진정도 검출장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 공기필터의 교체시기 또는 청소시기를 알려주는 먼지센서 및 이를 구비한 먼지집진정도 검출장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 공기필터의 먼지집진정도를 간단하면서도 저비용 으로 측정할 수 있는 먼지센서 및 이를 구비한 먼지집진정도 검출장치를 제공하는 데 있다.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 구체화에 따라, 본 발명에 따른 공기필터의 먼지집진정도 검출장치는, 상기 공기필터의 서로 인접되고 마주보는 두개의 집진면들 사이의 공간을 사이에 두고 두개의 전극들을 배치하여, 상기 두개의 전극들 사이의 먼지집진정도에 따른 유전율 변화에 따라 변화된 정전용량을 출력하는 먼지센서와; 상기 먼지센서로부터 출력되는 상기 정전용량의 변화 정도를 통해 상기 공기필터의 먼지집진정도를 검출하는 먼지센서 신호처리회로를 구비한다.

상기 먼지센서는 콘덴서의 형태로 구성되며, 상기 두개의 전극들은 각각 상기 집진면들 각각에 고정 부착되되, 상기 집진면들과는 절연되도록 부착될 수 있다.

상기 두개의 전극들에는, 상기 두개의 전극들 사이를 서로 연결하여 항상 일정간격이 유지되도록 하기 위한 절연재질의 고정대가 구비되며, 상기 두개의 전극들은 상기 집진면들과는 분리되어 구성될 수 있다.

상기 고정대가 구비된 두개의 전극들은, 상기 집진면들의 공기 유입방향 또는 공기유출 방향에 구비될 수 있다.

상기 먼지센서 신호처리회로는 적어도 하나의 기준레벨을 설정하고, 상기 정전용량의 변화정도를 상기 적어도 하나의 기준레벨과 비교함에 의해 상기 공기필터 의 교환시기나 청소시기에 대한 정보를 제공할 수 있다.

상기 먼지센서 신호처리회로는, 상기 먼지센서의 두개의 전극들 중 하나의 전극을 특정입력신호의 입력단자로 하고 나머지 전극을 출력단자로 하며, 상기 출력단자와 접지단자 사이에 저항을 구비하고, 상기 특정입력신호에 대하여 상기 출력단자로 출력되는 출력신호의 레벨을 상기 적어도 하나의 기준레벨과 비교함에 의해 먼지집진정도를 검출할 수 있다.

상기 먼지센서 신호처리회로는, 상기 먼지센서의 두개의 전극들 중 하나의 전극을 출력단자로 하고, 나머지 전극은 접지시키고, 특정입력신호의 입력단자와 상기 출력단자 사이에 저항을 구비하여, 상기 특정입력신호에 대하여 상기 출력단자로 출력되는 출력신호의 레벨을 상기 적어도 하나의 기준레벨과 비교함에 의해 먼지집진정도를 검출할 수 있다.

상기 먼지센서 신호처리회로는, 상기 먼지센서의 두개의 전극들 중 하나인 제1전극으로 레벨이 항상 일정하게 유지되는 입력신호를 발생하는 입력신호 발생부와; 상기 먼지센서의 두개의 전극들 중 나머지 하나인 제2전극을 통하여 출력되는 전류형태의 신호를 전압형태의 신호로 변환하고 증폭하는 제1변환증폭부와; 상기 제1변환증폭부의 출력신호를 다시 증폭하고 직류신호로 정류하여 출력하는 제1증폭정류부와; 상기 제1증폭정류부의 출력신호를 특정 기준레벨과 비교한 제1비교신호를 출력하는 제1비교부를 구비할 수 있다.

상기 입력신호 발생부는, 정현파, 구형파, 및 삼각파 중에서 선택된 어느 하나의 신호를 발생하는 발진회로와; 상기 발진회로의 출력신호의 레벨을 조절하여 항상 일정한 레벨의 입력신호가 상기 먼지센서로 입력되도록 하는 자동진폭조절회로(ALC;Automatic Level Control)를 구비할 수 있다.

상기 제1변환증폭부는, 전류를 전압으로 바꾸어 주는 제1트랜스 컨덕턴스 증폭기(OTA;Operational Transconductance Amp)를 구비할 수 있다.

상기 제1증폭정류부는, 상기 제1변환증폭부의 출력신호를 증폭하여 출력하는 제1증폭기와; 상기 제1증폭기의 출력신호를 정류하여 직류신호를 출력하는 제1정류회로를 구비할 수 있다. 상기 먼지집진정도 검출장치는, 상기 먼지센서와 동일구조로 배치되며, 두개의 전극들 사이의 수분함유정도에 따른 유전율 변화를 감지하여 변화된 정전용량에 대응되는 출력신호를 출력하는 수분센서와; 상기 수분센서로부터 출력되는 상기 정전용량의 변화정도를 통해 상기 공기필터의 수분함유정도를 검출하는 수분센서 신호처리회로를 더 구비할 수 있다.

상기 수분센서가 구비된 상기 공기필터의 집진면 및 인접부위에는, 외부공기의 유입에 따른 먼지 유입을 차단하여 먼지센서로 동작되는 것을 방지하고 수분센서로 동작하도록 하기 위한 먼지 차단막이 더 구비될 수 있다.

상기 먼지센서 신호처리회로는, 상기 먼지센서의 두개의 전극들 중 하나인 제1전극으로 레벨이 항상 일정하게 유지되는 입력신호를 발생하는 입력신호 발생부와; 상기 먼지센서의 두개의 전극들 중 나머지 하나인 제2전극을 통하여 출력되는 전류형태의 신호를 전압형태의 신호로 변환하고 증폭하는 제1변환증폭부와; 상기 제1변환증폭부의 출력신호를 다시 증폭하고 직류신호로 정류하여 출력하는 제1증폭정류부와; 상기 제1증폭정류부의 출력신호를 디지털 신호로 변환하는 제1변환부를 구비하며,

상기 수분센서 신호처리회로는, 상기 먼지센서 신호처리회로를 구성하는 상기 입력신호 발생부의 출력신호를 상기 수분센서의 두개의 전극들 중 하나인 제1전극으로 입력받고, 이에 대응하여 상기 수분센서의 두개의 전극들 중 나머지 하나인 제2전극을 통하여 출력되는 전류형태의 출력신호를 전압형태의 출력신호로 변환하고 증폭하는 제2변환증폭부와; 상기 제2변환증폭부의 출력신호를 다시 증폭하고 직류신호로 정류하여 출력하는 제2증폭정류부와; 상기 제2증폭정류부의 출력신호를 디지털 신호로 변환하는 제2변환부를 구비할 수 있다.

상기 먼지집진정도 검출장치는, 상기 제1변환부에서 출력된 신호와 상기 제2변환부에서 출력된 신호를 토대로 하여, 상기 먼지센서의 정전용량의 변화가 수분에 의한 것인지 먼지에 의한 것인지를 판단하고 그 결과를 출력하는 판단부를 더 구비할 수 있다.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 다른 구체화에 따라, 본 발명에 따른 공기필터의 먼지집진정도를 검출하는 먼지센서는, 상기 공기필터의 서로 인접되고 마주보는 두개의 집진면들 사이의 공간을 사이에 두고 적어도 두개의 전극들을 배치하여 적어도 하나의 콘덴서를 구성하고, 상기 두개의 전극들 사이의 먼지집진정도에 따른 유전율 변화에 따라 변화되는 상기 콘덴서의 정전용량의 변화정도를 통해 먼지집진정도를 검출함을 특징으로 한다.

상기 두개의 전극들은 각각 상기 집진면들 각각에 고정 부착되되, 상기 집진면들과는 절연되도록 부착될 수 있다.

상기 두개의 전극들에는, 상기 두개의 전극들 사이를 서로 연결하여 항상 일정간격이 유지되도록 하기 위한 절연재질의 고정대가 구비되며, 상기 두개의 전극들은 상기 집진면들과는 분리되어 구성될 수 있다.

상기 고정대가 구비된 두개의 전극들은, 상기 집진면들의 공기 유입방향 또는 공기유출 방향에 구비될 수 있다.

본 발명에 따르면, 공기필터에 쌓인 먼지나 분진의 양을 측정할 수 있으며, 공기필터의 교체시기 또는 청소시기를 자동으로 알 수 있다. 또한, 공기필터의 먼지집진정도를 간단하면서도 저비용으로 측정할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.

도 2는 일반적인 공기필터의 내부 구조를 나타낸 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 공기필터(50)는 자바라 형태 즉 주름구조(또는 접이식 구조)로 연결되는 복수의 집진면(다른 용어로 '필터면' 이라는 용어가 있으나, 이하에서는 집진면으로 통일함)들로 구성된다. 따라서 상기 복수의 집진면들 중 서로 인접되는 집진면들은, 다른 집진면들과 만나는 접힘선에서 서로 인접되는 두개의 집진면들이 만나는 접힘선으로 갈수록 좁아지는 구조를 가지게 된다. 즉 서로 인접되는 두개의 집진면들의 단면은 'V'자 구조 또는 'V'와 유사한 형태의 구조 를 가지게 된다. 또한 서로 인접되는 두개의 집진면들은 정확한 각도는 아니지만 마주보는 형태의 구조를 가진다.

여기서, 상기 서로 인접되는 두개의 집진면들 사이의 'V'자 구조의 공간에 외부에서 유입된 먼지나 기타 이물질 등(이하 '먼지' 로 통일함)이 쌓이게 된다. 즉, 공기에 포함된 먼지나 분진은 공기필터(50)에서 걸러지게 되고, 먼지는 공기필터(50)의 외부 쪽면 즉 외부 공기가 들어오는 면의 V자 공간에 쌓이게 된다.

본 발명은 상기 V 자 공간에 쌓인 먼지의 집진정도를 정전용량의 변화를 이용하여 파악하고자 한다.

도 3은 상기 공기필터(50)의 서로 인접되는 두개의 집진면에 구비된 먼지센서의 구조를 나타낸 것이고, 도 4 및 도 5는 도 3의 가로방향 단면도를 나타낸 것이다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 서로 인접되는 두개의 집진면들(52a,52b) 각각에 전극(60a,60b)이 부착된다. 다시 말하면, 상기 공기필터(50)의 서로 인접되고 마주보는 두개의 집진면들(52a,52b) 사이의 V자 공간을 사이에 두고 두개의 전극들(60a,60b)을 배치한다. 상기 전극들(60a,60b)은 상기 집진면들(52a,52b) 각각의 내부면(V 자 공간을 이루며 먼지가 집진되는 면)에 부착될 수도 있고, 상기 내부면의 반대면인 외부면에 부착될 수도 있다. 상기 전극들(60a,60b)은 일반적으로 콘덴서의 전극으로 사용되는 다양한 금속들이 이용될 수 있을 것이다.

상기 전극들(60a,60b)의 부착시에는 전극들(60a,60b)이 공기필터와 절연되도록 하여 공기필터가 물기에 적은 경우에도 회로적으로 오동작이 일어나지 않게 할 수 있다.

상기 집진면들(52a,52b) 각각에 전극(60a,60b)이 부착됨에 따라 상기 집진면들(52a,52b) 사이의 V자 공간의 유전율에 의해 정전용량이 변화하는 콘덴서가 구성되게 된다.

일반적으로 콘덴서는 두개의 전극판과, 두개의 전극판사이에 구비되는 유전물질로 구성된다. 이 경우 콘덴서의 용량값은 'C=ε*(s/d)' (여기서, ε은 유전물질의 유전율을 나타내며, s는 상기 전극판의 단면적, d는 전극판 사이의 길이를 나타낸다)로 표현된다.

따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 V자 공간에 먼지가 쌓이기 전에는 공기필터(50)에 부착된 상기 전극들(60a,60b)사이인 V자 공간에는 공기가 들어 있지만, 도 5에 도시된 바와 같이, 먼지가 쌓인 경우에는 두 전극들(60a,60b) 사이의 V자 공간에는 먼지가 대부분을 차지하게 된다.

따라서, 이 두 경우에 두 전극사이의 정전용량을 비교하면 먼지의 집진정도를 알 수 있게 된다. 즉, 공기의 비유전율보다 먼지와 분진의 비유전율이 크므로 먼지가 쌓이지 않은 경우인 도 4의 경우보다, 먼지가 쌓인 도 5의 경우에 정전용량이 증가하게 된다. 따라서 두 전극들(60a,60b)사이의 정전용량의 변화를 측정하면 먼지가 쌓인 양을 알 수 있게 되는 것이다.

결과적으로 공기필터의 집진면(52a,52b)에 두개의 전극들(60a,60b)을 부착함에 의해 간단하게 먼지센서를 구현할 수 있게 되는 것이다.

도 6 및 도 7은 도 3 내지 도 5와는 다른 형태의 먼지센서의 구조를 나타낸 것이다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 먼지센서(70)는 콘덴서를 구성하는 두개의 전극들(62a,62b)이 고정대(65)에 의해 고정 부착되는 구조를 가진다.

도 3 내지 도 5에서 설명된 전극부착방법은 집진면들(52a,52b)과의 밀착도는 우수하나 먼지가 쌓이는 경우 또는 바람의 세기 정도에 따라 전극간의 간격이 변화할 수 있다.

따라서 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 전극들(62a,62b) 간의 간격을 일정하게 유지시키기 위하여 플라스틱 등을 재질로 하는 부도체의 고정대(65)가 필요하게 된다. 상기 고정대(65)를 사용하면, 일부 단점도 있으나 안정성 면에서 우수하게 된다.

상기 고정대(65)를 포함하는 두개의 전극들(62a,62b)은 상기 집진면들(54a,54b,54c,54d)의 공기 유입방향 또는 공기유출 방향에 구비될 수 있다.

상기 공기필터(50)의 서로 순차적으로 인접되는 4개의 집진면들(54a,54b,54c,54d)을 예로 들어 그 구조를 설명한다.

우선 공기 유출방향에 구비되는 경우로써, 이는 도 6에 도시되어 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 고정대(65)를 포함하는 두개의 전극들(62a,62b)은 상기 집진면들(54a,54b,54c,54d) 중 집진면(54a)와 집진면(54b) 사이의 공간에 하나의 전극(62a)이 구비되고, 집진면(54c)와 집진면(54d) 사이의 공간에 나머지 전극(62b)이 구비되고, 이들 두개의 전극(62a,62b)을 상기 고정대(65)가 고정 연결하는 구조를 가질 수 있다.

다음으로 공기 유입방향에 구비되는 경우로써, 이는 도 7에 도시되어 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 상기 고정대(65)를 포함하는 두개의 전극들(62a,62b)은 상기 집진면들(54a,54b,54c,54d) 중 집진면(54a)의 공기유입방향 쪽의 내부면과 상기 집진면(54a)의 집진면(54b)와는 반대로 인접하는 집진면과의 사이공간에 하나의 전극(62a)이 구비되고, 집진면(54b)와 집진면(54c) 사이의 공간에 나머지 전극(62b)이 구비되고, 이들 두개의 전극(62a,62b)을 상기 고정대(65)가 고정연결하는 구조를 가질 수 있다.

이 경우에는 상기 고정대(65)를 유입되는 외부공기에 의해 영향을 받지 않도록 설계하는 등의 별도의 설계가 요구될 수도 있다. 예를 들면, 고정대(65)를 공기가 통할 수 있는 구조로 설계하는 등의 설계를 통하여 외부공기 유입방향에의 먼지센서(70) 설치가 가능할 수 있다.

여기서 다른 실시예에 따르면, 전극들을 더 많이 부착하여 복수의 콘덴서들을 구성하고, 상기 복수의 콘덴서들을 병렬 또는 직렬로 연결함에 의하여 먼지센서의 정확도를 높이거나 공기필터의 특정부위의 먼지의 집진정도를 측정할 수도 있다.

이하에서는 도 3 내지 도 7을 통하여 설명되고 구현된 먼지센서(이를 콘덴서를 지칭하는 기호 'C' 로 모델링하기로 한다.)의 신호를 처리하여 공기필터의 먼지집진정도, 필터교환시기, 청소시기 등의 정보를 제공하기 위한 신호처리회로의 구성 및 동작을 설명한다.

도 8 및 도 9는 상기 먼지센서(C)와 저항을 이용한 신호처리회로들을 나타낸 것이다. 도 8은 RC회로이고 도 9는 CR회로이다

도 8에 도시된 바와 같이. 상기 먼지센서(C)의 두개의 전극들 중 하나의 전극을 출력단자로 하고, 나머지 전극은 접지시킨다. 또한, 특정 입력신호(Vs)가 입력되는 입력단자와 상기 출력단자 사이에 저항(R)을 구비하여 신호처리회로를 구성한다.

상기 신호처리회로의 상기 특정 입력신호(Vs)를 'Vs(jω)' 이라 하면, 상기 출력단자를 통해 출력되는 출력신호(Vo)인 'Vo(jω)' 는 'Vo(jω) = Vs(jω)*(1/(1+jωRC))' 로 표현될 수 있다.

여기서, 주어진 각주파수(ω)와 저항(R) 값이 일정한 경우에 출력신호(Vo)의 크기와 입력신호(Vs)의 위상차는 상기 먼지센서(C)의 정전용량 값에 따라 변화하게 된다.

상기 먼지센서(C)의 정전용량값은 두개의 전극사이에 축적되는 먼지집진정도(먼지량)에 따라 변화하므로 출력신호(Vo)의 크기나 위상을 측정하여 먼지집진정도를 측정할 수 있게 된다.

상기 입력신호(Vs)는 편의상 도 8에서는 정현파가 이용되었으나 정현파, 구형파, 삼각파, 톱니파 등 주기적인 신호는 모두 상기 입력신호(Vs)로써 사용할 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 상기 먼지센서(C)의 두개의 전극들 중 하나의 전극을 입력신호(Vs)의 입력단자로 하고 나머지 전극을 출력단자로 하여 구성한다. 또한, 상기 출력단자와 접지단자 사이에 저항(R)을 구비하여 신호처리회로를 구성 한다.

상기 신호처리회로의 상기 특정 입력신호(Vs)를 'Vs(jω)' 이라 하면, 상기 출력단자를 통해 출력되는 출력신호(Vo)인 'Vo(jω)' 는 'Vo(jω) = Vs(jω)*(jωRC/(1+jωRC))' 로 표현될 수 있다.

여기서, 주어진 각주파수(ω)와 저항(R) 값이 일정한 경우에 출력신호(Vo)의 크기와 입력신호(Vs)의 위상차는 상기 먼지센서(C)의 정전용량 값에 따라 변화하게 된다.

상기 먼지센서(C)의 정전용량값은 두개의 전극사이에 축적되는 먼지집진정도(먼지량)에 따라 변화하므로 출력신호(Vo)의 크기나 위상을 측정하여 먼지집진정도를 측정할 수 있게 된다.

상기 입력신호(Vs)는 편의상 도 9에서는 정현파가 이용되었으나 정현파, 구형파, 삼각파, 톱니파 등 주기적인 신호는 모두 상기 입력신호(Vs)로써 사용할 수 있다.

도 8 및 도 9에서, 먼지 집진정도의 측정은 상기 입력신호(Vs)에 대하여 상기 출력단자로 출력되는 출력신호(Vo)의 레벨을 적어도 하나의 기준레벨과 비교함에 의해 측정할 수 있다.

예를 들어, 먼지가 필터를 교체해야 할 정도로 쌓인 경우에 해당되는 출력신호 레벨을 어느 정도 오차값을 인정하여 기준레벨로 정하고, 상기 기준레벨보다 상기 출력신호의 레벨이 높은지 낮은지를 판단함에 의해 필터교체시기를 측정하는 것이 가능하다.

상기 기준레벨은 필요에 따라 다양하게 적어도 하나 이상으로 정해질 수 있다. 먼지 집진정도를 파악하고자 하는 경우에는 복수의 기준레벨을 정하고, 각 기준레벨에 상기 출력신호의 레벨이 도달하는 경우마다 알람신호를 발생하여 사용자가 공기필터의 집진정도를 알 수 있도록 하는 구성도 가능할 것이다.

도 10은 도 9의 CR회로의 한 형태로 구현된 신호처리회로를 토대로 한 먼지집진정도 검출장치의 구현예(100)이다. 여기서 먼지센서는 회로에 구현되어 있는 관계로 별도의 도면부호인 '120' 을 부여하여 일반적인 의미의 먼지센서와 구분하였다.

도 10에 도시된 바와 같이, 상기 먼지집진 검출장치(100)는, 먼지센서(120)와 신호처리회로인 입력신호 발생부(110), 제1변환증폭부(130), 제1증폭정류부(140), 및 비교부(160)를 구비한다.

상기 먼지센서(120)에 대해서는 도 3 내지 도 9에서 설명한 바 있다

상기 입력신호 발생부(110)는 상기 먼지센서(120)의 두개의 전극들 중 하나인 제1전극으로 레벨이 항상 일정하게 유지되는 입력신호(S1)를 발생한다.

상기 입력신호 발생부(110)는 발진회로(112)와 자동진폭조절회로(ALC;Automatic Level Control)(114)를 구비할 수 있다.

상기 발진회로(112)는 정현파, 구형파, 및 삼각파 중에서 선택된 어느 하나의 신호를 발생한다. 그리고 상기 자동진폭조절회로(114)는 상기 발진회로(112)의 출력신호의 레벨을 조절하여 항상 일정한 레벨의 입력신호(S1)가 상기 먼지센서(120)로 입력되도록 한다. 여기서 일정한 레벨은 크기 및 위상을 포함하는 개념으 로 이해되어야 한다.

상기 입력신호발생부(110)에서 발생된 입력신호(S1)는 상기 먼지센서(120)로 입력되고, 상기 먼지센서(120)에서는 공기필터의 먼지집진정도에 대응되어 변화되는 출력신호(S2)를 출력하게 된다.

상기 입력신호 발생부(110)의 출력신호(S1)가 정현파라고 가정하면, 상기 먼지센서(120)에 흐르는 전류는 상기 먼지센서(120)의 출력신호(S2)가 된다.

즉 상기 먼지센서(120)의 출력신호(S2)는 ' Ic(jω)=jωC*S1(jω)' 가 된다.

상기 제1변환증폭부(130)는 상기 먼지센서(120)의 두개의 전극들 중 나머지 하나인 제2전극을 통하여 출력되는 전류형태의 신호를 전압형태의 신호로 변환하고 증폭하여 출력한다.

상기 제1변환증폭부(130)는 전류를 전압으로 바꾸어 주는 트랜스 컨덕턴스 증폭기(OTA;Operational Transconductance Amp)를 구비할 수 있다. 상기 트랜스 컨덕턴스 증폭기는 전류를 전압으로 바꾸어 주는 증폭기로 입력저항이 거의 zero에 가깝다고 알려져 있다. 상기 트랜스 컨덕턴스 증폭기는 앰프(A)와 저항(Rf) 병렬연결구조를 가질 수 있다.

상기 제1변환증폭부(130)의 입력신호(S2)가 'S2(jω)=jωC*S1(jω)'의 값을 가지는 경우, 상기 제1변환증폭부(130)의 출력신호(S3)는 'S3(jω)=jωCR_f*S1(jω)'로 주어진다.

여기서 상기 제1변환증폭부(130)의 출력신호(S3)는 상기 입력신호 발생부 (110)의 출력신호(S1)와 90도의 위상차가 나게 되지만 크기는 상기 먼지센서(120)의 용량값에 따라 변화하게 된다.

상기 제1증폭정류부(140)는 상기 제1변환증폭부(130)의 출력신호(S3)를 다시 증폭하고 직류신호로 정류하여 출력한다. 상기 제1증폭정류부(140)는 제1증폭기(142) 및 제1정류회로(144)를 구비할 수 있다.

상기 제1증폭기(142)는 상기 제1변환증폭부(130)의 출력신호(S3)를 다시 증폭하여 증폭된 출력신호(S4)를 출력한다.

상기 제1정류회로(144)는 상기 제1증폭기(142)의 출력신호(S4)를 정류하여 직류 형태의 출력신호(S5)를 출력한다. 상기 출력신호(S5)는 직류신호로써 먼지센서(120)의 용량값에 따라, 즉 상기 먼지센서(120)를 구성하는 두 전극들사이의 먼지집진정도에 따라 그 레벨이 달라지게 된다.

상기 제1증폭정류부(140)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 잘 알려진 형태 또는 구조를 가지는 다양한 종류의 증폭기 및 정류회로로 구성될 수 있다.

상기 제1비교부(160)는 상기 제1증폭정류부의 출력신호(S5)를 특정 기준레벨과 비교한 제1비교신호(S6)를 출력한다. 이를 위해 상기 제1비교부(160)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 잘 알려진 형태 또는 구조를 가지는 다양한 종류의 비교기를 구비하여 그 동작을 수행할 수 있다.

상기 제1비교부(160)에서는 예를 들면, 상기 제1증폭정류부(140)에서 출력된 직류신호(S5)의 레벨이 일정한 기준레벨(여기서는 기준전압)보다 큰 경우에는(두 전극사이에 먼지가 일정이상 누적된 상태임), 상기 제1비교부(160)의 출력이 하이(HIGH)가 되도록 하고, 이 신호(S6)를 공기필터의 교환을 알리는 신호로 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 신호(S6)을 자동차의 뇌 역할을 수행하는 전자제어장치(ECU; Electronic Control Unit)등의 제어장치에 전송하여 자동차에서 공기필터의 교환을 알리는 신호를 발생하도록 할 수 있다.

상술한 바와 같은 정전용량의 방식은 수분에 영향을 많이 받을 수 있다. 즉 정전용량의 변화가 먼지가 아닌 수분에 의해 발생될 수도 있다. 특히 공기중에 수분이 많은 여름철의 경우에는 이러한 문제가 자주 발생될 수 있다. 따라서 전극을 두 쌍으로 구성하여 한쌍의 전극은 먼지를 감지하는 먼지센서로 이용하고. 다른 한쌍의 전극은 수분을 감지하는 수분센서로 이용하는 방법을 통하여 이 문제를 해결할 수 있다. 이는 도 11 및 도 12를 통하여 설명한다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 먼지센서(220a)와 수분센서(220b)의 구조를 나타낸 것이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 공기필터(50)에 도 3 내지 도 7에서 설명한 방식으로 적어도 두개의 콘덴서를 구성한다. 상기 적어도 두개의 콘덴서는 서로 인접될 수도 있고, 서로 다른 집진면들에 배치될 수도 있다.

그리고, 상기 수분센서(220b)는 상기 먼지센서(220a)와 동일한 구조를 가지므로 먼지센서로 동작되는 것을 방지하기 위하여, 상기 수분센서(220b)가 구비된 상기 공기필터의 집진면 및 인접부위에는, 외부공기의 유입에 따른 먼지 유입을 차단하기 위한 먼지 차단막(2)이 구비될 수 있다. 상기 먼지차단막(2)은 제대로 된 동작을 위해 외부공기 유입방향의 상기 공기필터(50)의 집진면 및 인접부위에 구비되어야 할 것이다.

상기 먼지센서(220a)와 동일구조로 수분센서(220b)를 구성하면, 두개의 전극들 사이의 수분함유정도에 따른 유전율 변화를 감지하여 변화된 정전용량에 대응되는 출력신호를 발생하게 된다.

도 12는 도 11의 먼지센서(220a) 및 수분센서(220b)가 적용된 구조의 먼지집진정도 검출장치의 구현예(200)를 나타낸 것이다.

도 12에 도시된 바와 같이, 상기 먼지 집진정도 검출장치(200)는 먼지센서(220a), 수분센서(220b), 입력신호 발생부(210)를 공통으로 하는 먼지센서 신호처리회로와 수분센서 신호처리회로, 및 판단부(270)를 구비한다.

여기서 상기 먼지센서 신호처리회로는, 상기 입력신호발생부(210)를 포함하여, 제1변환증폭부(230a), 제1증폭정류부(240a), 및 제1변환부(250a)를 구비한다.

또한, 상기 수분센서 신호처리회로는 상기 입력신호발생부(210)를 포함하여, 제2변환증폭부(230b), 제2증폭정류부(240b), 및 제2변환부(250b)를 구비한다.

상기 입력신호 발생부(210)는 도10에서 설명된 입력신호 발생부(110)와 동일구조 및 동일 역할을 수행할 수 있다. 즉 상기 먼지센서(220a)의 두개의 전극들 중 하나인 제1전극으로 레벨이 항상 일정하게 유지되는 입력신호(P1)를 발생한다. 따라서 발진회로(212)와 자동진폭조절회로(ALC)(214)를 구비할 수 있다.

상기 입력신호 발생부(210)에서 발생되는 입력신호(P1)는 상기 수분센서(220b)의 두개의 전극들 중 하나인 제1전극으로도 입력된다.

상기 제1변환증폭부(230a) 및 상기 제1증폭정류부(240a)는 도 10과 도면부호만 다를 뿐 도 10에서 설명된 제1변환증폭부(130), 및 제1증폭정류부(140)와 동일구조 및 동일 역할을 수행할 수 있다. 따라서, 상기 제1변환증폭부(230a)는 전류를 전압으로 바꾸어 주는 트랜스 컨덕턴스 증폭기(OTA)를 구비하여, 상기 먼지센서(220a)의 두개의 전극들 중 나머지 하나인 제2전극을 통하여 출력되는 전류형태의 신호(P2)를 전압형태의 신호로 변환하고 증폭한다.

또한, 상기 제1증폭정류부(240a)는 도 10의 제1증폭정류부(140)와 유사하게 제1증폭기(242a) 및 제1정류회로(244a)를 구비할 수 있다. 상기 제1증폭정류부(240a)는 상기 제1변환증폭부(230a)의 출력신호(P3)를 다시 증폭하고 직류신호로 정류하여 출력한다.

도 10의 먼지센서 신호처리회로와 달리 도 12에서는 도 10의 제1비교부(160)가 제1변환부(250a)로 대체된 구성을 가진다.

상기 제1변환부(250a)는 상기 제1증폭정류부(240a)의 출력신호(P5)를 디지털 신호로 변환한 제1디지털 출력신호(P6) 출력한다. 상기 제1변환부(250a)는 아날로그 디지털 컨버터(ADC1 ; Analog to Digital Convertor)를 구비할 수 있다.

또한, 상기 수분센서 신호처리회로를 구성하는 상기 입력신호발생부(210)는 이미 설명된바 있다.

상기 제2변환증폭부(230b)는 상기 제1변환증폭부(230a)에 대응하여 동일구조로써, 전류를 전압으로 바꾸어 주는 트랜스 컨덕턴스 증폭기(OTA)를 구비할 수 있다.

상기 제2변환증폭부(230b)에서는, 상기 입력신호 발생부(210)의 출력신호를 상기 수분센서(220b)의 두개의 전극들 중 하나인 제1전극으로 입력받고, 이에 대응하여 상기 수분센서(220b)의 두개의 전극들 중 나머지 하나인 제2전극을 통하여 출력되는 전류형태의 출력신호(P7)를 전압형태의 출력신호(P8)로 변환하고 증폭한다.

상기 제2증폭정류부(240b)는 상기 제1증폭정류부(240a)와 유사하게 제2증폭기(242b) 및 제2정류회로(244b)를 구비할 수 있다. 상기 제2증폭정류부(240b)는 상기 제2변환증폭부(230b)의 출력신호(P8)를 다시 증폭하고 직류신호로 정류하여 출력한다.

상기 제2변환부(250b)는 상기 제1변환부(250a)에 대응되는 구성으로, 상기 제2증폭정류부(240b)의 출력신호(P10)를 디지털 신호로 변환한 제2디지털 출력신호(P11)를 출력한다. 상기 제2변환부(250b)는 아날로그 디지털 컨버터(ADC2)를 구비할 수 있다.

상기 판단부(270)는 상기 제1변환부(250a)의 제1디지털 출력신호(P6)와 상기 제2변환부(250b)의 제2디지털 출력신호(P11)를 토대로 하여, 상기 먼지센서(220a)의 정전용량의 변화가 수분에 의한 것인지 먼지에 의한 것인지를 판단하여 그 결과를 출력한다. 상기 판단부(270)는 마이크로 컨트롤러(uC)를 구비할 수 있다.

상기 판단부(270)의 출력신호(P12)는 공기필터의 교환을 알리는 신호로 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 출력신호(P12)를 자동차의 뇌 역할을 수행하는 전자제어장치(ECU)등의 제어장치에 전송하여 자동차에서 공기필터의 교환을 알리는 신호를 발생하도록 할 수 있다.

상기 먼지센서 또는 수분센서는 각각 복수로 구비될 수도 있다. 즉 서로 인접되도록 구성하거나 일정간격 분리시켜 구성하면, 센서의 오차와 장치 조립시 발생하는 기계적인 오차를 최소화할 수 있다

상술한 먼지센서 및 먼지집진정도 검출장치는, 에이콘, 공기청정기, 자동차를 포함하여, 공기필터를 채용하는 모든 장치나 기기에 이용될 수 있음은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 자명한 것이다.

상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다.

도 1은 자동차의 공기 흡입 경로를 나타낸 도면이고,

도 2는 일반적인 공기필터의 구조를 나타낸 도면이고,

도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 먼지센서의 구조를 나타낸 도면들이고,

도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 먼지센서의 구조를 나타낸 도면들이고,

도 8 및 도 9는 먼지센서의 신호처리를 위한 신호처리회로들의 예를 나타낸 회로도들이고,

도 10은 도 3내지 도 7의 먼지센서를 구비한 먼지집진정도 검출장치의 구현예이고,

도 11은 수분센서가 추가되는 경우의 먼지센서 및 수분센서의 구조도이고,

도 12는 도 11의 먼지센서 및 수분센서를 구비한 먼지집진정도 검출장치의 구현예이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

110 : 입력신호 발생부 120 : 먼지센서

130 : 변환증폭부 140 : 증폭정류부

160 : 비교부

Claims (19)

1. 공기필터의 먼지집진정도 검출장치에 있어서:

   상기 공기필터의 서로 인접되고 마주보는 두개의 집진면들 사이의 공간을 사이에 두고 두개의 전극들을 배치하여, 상기 두개의 전극들 사이의 먼지집진정도에 따른 유전율 변화에 따라 변화된 정전용량을 출력하는 먼지센서와;

   상기 먼지센서로부터 출력되는 상기 정전용량의 변화정도를 통해 상기 공기필터의 먼지집진정도를 검출하는 먼지센서 신호처리회로를 구비함을 특징으로 하는 먼지집진정도 검출장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 먼지센서는 콘덴서의 형태로 구성되며, 상기 두개의 전극들은 각각 상기 집진면들 각각에 고정 부착되되, 상기 집진면들과는 절연되도록 부착됨을 특징으로 하는 먼지 집진정도 검출장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 두개의 전극들에는, 상기 두개의 전극들 사이를 서로 연결하여 항상 일정간격이 유지되도록 하기 위한 절연재질의 고정대가 구비되며, 상기 두개의 전극들은 상기 집진면들과는 분리되어 구성됨을 특징으로 하는 먼지집진정도 검출장치.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 고정대가 구비된 두개의 전극들은, 상기 집진면들의 공기 유입방향 또는 공기유출 방향에 구비됨을 특징으로 하는 먼지집진정도 검출장치.
5. 청구항 2 또는 청구항 4에 있어서,

   상기 먼지센서 신호처리회로는 적어도 하나의 기준레벨을 설정하고, 상기 정전용량의 변화정도를 상기 적어도 하나의 기준레벨과 비교함에 의해 상기 공기필터의 교환시기나 청소시기에 대한 정보를 제공함을 특징으로 하는 먼지집진정도 검출장치.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 먼지센서 신호처리회로는,

   상기 먼지센서의 두개의 전극들 중 하나의 전극을 특정입력신호의 입력단자로 하고 나머지 전극을 출력단자로 하며, 상기 출력단자와 접지단자 사이에 저항을 구비하고, 상기 특정입력신호에 대하여 상기 출력단자로 출력되는 출력신호의 레벨을 상기 적어도 하나의 기준레벨과 비교함에 의해 먼지집진정도를 검출함을 특징으로 하는 먼지집진정도 검출장치.
7. 청구항 5에 있어서, 상기 먼지센서 신호처리회로는,

   상기 먼지센서의 두개의 전극들 중 하나의 전극을 출력단자로 하고, 나머지 전극은 접지시키고, 특정입력신호의 입력단자와 상기 출력단자 사이에 저항을 구비 하여, 상기 특정입력신호에 대하여 상기 출력단자로 출력되는 출력신호의 레벨을 상기 적어도 하나의 기준레벨과 비교함에 의해 먼지집진정도를 검출함을 특징으로 하는 먼지집진정도 검출장치.
8. 청구항 5에 있어서, 상기 먼지센서 신호처리회로는,

   상기 먼지센서의 두개의 전극들 중 하나인 제1전극으로 레벨이 항상 일정하게 유지되는 입력신호를 발생하는 입력신호 발생부와;

   상기 먼지센서의 두개의 전극들 중 나머지 하나인 제2전극을 통하여 출력되는 전류형태의 신호를 전압형태의 신호로 변환하고 증폭하는 제1변환증폭부와;

   상기 제1변환증폭부의 출력신호를 다시 증폭하고 직류신호로 정류하여 출력하는 제1증폭 정류부와;

   상기 제1증폭정류부의 출력신호를 특정 기준레벨과 비교한 제1비교신호를 출력하는 제1비교부를 구비함을 특징으로 하는 먼지집진정도 검출장치.
9. 청구항 8에 있어서, 상기 입력신호 발생부는,

   정현파, 구형파, 및 삼각파 중에서 선택된 어느 하나의 신호를 발생하는 발진회로와;

   상기 발진회로의 출력신호의 레벨을 조절하여 항상 일정한 레벨의 입력신호가 상기 먼지센서로 입력되도록 하는 자동진폭조절회로(ALC;Automatic Level Control)를 구비함을 특징으로 하는 먼지집진정도 검출장치.
10. 청구항 8에 있어서,

    상기 제1변환증폭부는, 전류를 전압으로 바꾸어 주는 제1트랜스 컨덕턴스 증폭기(OTA;Operational Transconductance Amp)를 구비함을 특징으로 하는 먼지집진정도 검출장치.
11. 청구항 8에 있어서, 상기 제1증폭정류부는,

    상기 제1변환증폭부의 출력신호를 증폭하여 출력하는 제1증폭기와;

    상기 제1증폭기의 출력신호를 정류하여 직류신호를 출력하는 제1정류회로를 구비함을 특징으로 하는 먼지집진정도 검출장치.
12. 청구항 5에 있어서, 상기 먼지집진정도 검출장치는,

    상기 먼지센서와 동일구조로 배치되며, 두개의 전극들 사이의 수분함유정도에 따른 유전율 변화를 감지하여 변화된 정전용량에 대응되는 출력신호를 출력하는 수분센서와;

    상기 수분센서로부터 출력되는 상기 정전용량의 변화정도를 통해 상기 공기필터의 수분함유정도를 검출하는 수분센서 신호처리회로를 더 구비함을 특징으로 하는 먼지집진정도 검출장치.
13. 청구항 12에 있어서,

    상기 수분센서가 구비된 상기 공기필터의 집진면 및 인접부위에는, 외부공기의 유입에 따른 먼지 유입을 차단하여 먼지센서로 동작되는 것을 방지하고 수분센서로 동작하도록 하기 위한 먼지 차단막이 더 구비됨을 특징으로 하는 먼지집진정도 검출장치.
14. 청구항 13에 있어서,

    상기 먼지센서 신호처리회로는,

    상기 먼지센서의 두개의 전극들 중 하나인 제1전극으로 레벨이 항상 일정하게 유지되는 입력신호를 발생하는 입력신호 발생부와;

    상기 먼지센서의 두개의 전극들 중 나머지 하나인 제2전극을 통하여 출력되는 전류형태의 신호를 전압형태의 신호로 변환하고 증폭하는 제1변환증폭부와;

    상기 제1변환증폭부의 출력신호를 다시 증폭하고 직류신호로 정류하여 출력하는 제1증폭 정류부와;

    상기 제1증폭정류부의 출력신호를 디지털 신호로 변환하는 제1변환부를 구비하며,

    상기 수분센서 신호처리회로는,

    상기 먼지센서 신호처리회로를 구성하는 상기 입력신호 발생부의 출력신호를 상기 수분센서의 두개의 전극들 중 하나인 제1전극으로 입력받고, 이에 대응하여 상기 수분센서의 두개의 전극들 중 나머지 하나인 제2전극을 통하여 출력되는 전류형태의 출력신호를 전압형태의 출력신호로 변환하고 증폭하는 제2변환증폭부와;

    상기 제2변환증폭부의 출력신호를 다시 증폭하고 직류신호로 정류하여 출력하는 제2증폭정류부와;

    상기 제2증폭정류부의 출력신호를 디지털 신호로 변환하는 제2변환부를 구비함을 특징으로 하는 먼지집진정도 검출장치.
15. 청구항 14에 있어서, 상기 먼지집진정도 검출장치는,

    상기 제1변환부에서 출력된 신호와 상기 제2변환부에서 출력된 신호를 토대로 하여, 상기 먼지센서의 정전용량의 변화가 수분에 의한 것인지 먼지에 의한 것인지를 판단하고 그 결과를 출력하는 판단부를 더 구비함을 특징으로 하는 먼지집진정도 검출장치.
16. 공기필터의 먼지집진정도를 검출하는 먼지센서에 있어서:

    상기 공기필터의 서로 인접되고 마주보는 두개의 집진면들 사이의 공간을 사이에 두고 적어도 두개의 전극들을 배치하여 적어도 하나의 콘덴서를 구성하고,

    상기 두개의 전극들 사이의 먼지집진정도에 따른 유전율 변화에 따라 변화되는 상기 콘덴서의 정전용량의 변화정도를 통해 먼지집진정도를 검출함을 특징으로 하는 먼지센서.
17. 청구항 16에 있어서,

    상기 두개의 전극들은 각각 상기 집진면들 각각에 고정 부착되되, 상기 집진 면들과는 절연되도록 부착됨을 특징으로 하는 먼지센서.
18. 청구항 16에 있어서,

    상기 두개의 전극들에는, 상기 두개의 전극들 사이를 서로 연결하여 항상 일정간격이 유지되도록 하기 위한 절연재질의 고정대가 구비되며, 상기 두개의 전극들은 상기 집진면들과는 분리되어 구성됨을 특징으로 하는 먼지센서.
19. 청구항 18에 있어서,

    상기 고정대가 구비된 두개의 전극들은, 상기 집진면들의 공기 유입방향 또는 공기유출 방향에 구비됨을 특징으로 하는 먼지센서.

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