KR20130129354A

KR20130129354A - 다목적 정전용량 센서

Info

Publication number: KR20130129354A
Application number: KR1020137002398A
Authority: KR
Inventors: 라스 오케 베른
Original assignee: 라스 오케 베른
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2013-11-28
Also published as: US20130162267A1; RU2013105499A; EP2591551A4; WO2012005646A1; SE1000755A1; SE535106C2; EP2591551A1; BR112013000439A2; US8941391B2

Abstract

본 발명은 대형 트럭은 물론 중형 그림이나 소형 휴대폰을 따라 형성되는 표면에 대한 사람의 근접을 표시하기에 적절한 다목적 정전용량 센서에 관한 것이다. 전압 측정 장치(1)에는 해당 전압 측정 장치의 신호 입력부(7)에 연결되는 제2 극을 갖는 발진 전압원(4)의 제1 극에 연결되는 신호 접지부(2)가 구비된다. 이 입력부는 지면(6) 간에는 제1 정전용량(9)을 갖고 신호 접지부 간에는 제2 정전용량(10)을 갖는다. 제3 정전용량(12)이 상기 전압원의 제2 극에 의해 지면(6) 간에 나타난다. 신호 접지부는 상기 표면을 따라 연장되고 상기 제3 정전용량과 적어도 동일한 자릿수의 크기를 갖는 지면 간의 제4 정전용량(13)을 나타내는 전기 도전성 수단에 연결된다. 본 발명에 따르면, 프리바이어스 요소(14)는 전압원의 제2 극과 전압 측정 장치의 신호 입력부 사이에 연결되고, 전압 측정 장치의 신호 입력부와 신호 접지부 간에 나타나는 임피던스와 적어도 동일한 자릿수를 갖는 임피던스를 갖는다. 이들 임피던스 중 하나는 다른 임피던스에 자동으로 적합화되도록 배열된다.

Description

다목적 정전용량 센서{A MULTI PURPOSE CAPACITIVE SENSOR}

본 발명은 대형 트럭은 물론 중형 그림이나 소형 휴대폰을 따라 형성되는 표면에 대한 사람의 근접을 표시하기에 적절한 다목적 정전용량 센서로서, 전압 측정 장치에는 해당 전압 측정 장치의 신호 입력부에 연결되는 제2 극을 갖는 발진 전압원의 제1 극에 연결되는 신호 접지부가 구비되며, 상기 신호 입력부는 지면 간에 제1 정전용량을 갖고 상기 신호 접지부 간에 제2 정전용량을 가지며, 제3 정전용량이 상기 전압 공급원의 상기 제2 극에 의해 지면 간에 나타나며, 상기 신호 접지부는 상기 표면을 따라 연장되는 전기 도전성 수단에 연결되고 지면 간의 제4 정전용량을 나타낸다.

스웨덴 특허 제355 719호는 벽을 따라 연장되는 전기 도전체에 사람의 손가락이 바로 근접해 있음을 감지할 수 있는 정전용량 센서를 개시한다. 해당 센서는 트럭이나 그림과 같은 물체를 따라 형성되는 표면에 사람이 근접해 있음을 표시하기에 적절한 다목적 장치의 개발로 나아가는 제1 단계를 나타낸다. 공지된 센서에서, 전압 측정 장치에는 지면에 연결되는 제2 극을 갖는 AC 전력선의 제1 극에 연결되는 신호 접지부가 구비되며, 해당 AC 전력선은 정전용량 직렬 링크가 상기 입력부와 지면 사이에 배열되고 정전용량 분로(shunt) 링크가 상기 입력부와 상기 신호 접지부 사이에 배열되는 분압기를 통해 전압 측정 장치의 입력부에 연결된다. 물론 AC 전력선은 배터리 급전식 발진 전압원으로 대체될 수 있으며 기술분야의 당업자가 전압 측정 장치를 개량할 수 있긴 하지만, 전압원을 지면에 연결하는 것은 문제를 발생시킨다. 공지된 센서는 이 연결의 임피던스가 그 근접이 표시되는 물체에 의해 나타나는 지면 간에 정전용량 임피던스보다 현저히 낮지 않은 한 감지 기능을 발휘하지 못한다. 이 센서는 트럭이 주차되어 있을 때에만 트럭의 전체 표면에 배열하기가 용이하며, 지면까지의 유선 연결로 인해 박물관의 그림을 보호하거나 온갖 종류의 물체에 대해서 적절한 반응 거리에서 근접 탐지가 이루어지도록 하는 용도로는 정전용량 센서의 사용이 제한된다.

본 발명의 다목적 정전용량 센서는 대형 트럭은 물론 중형 그림이나 소형 휴대폰을 따라 형성되는 표면에 사람이 근접해 있음을 표시하기에 적절하다. 이 센서는 해당 전압 측정 장치의 신호 입력부에 연결되는 제2 극을 갖는 발진 전압원의 제1 극에 연결되는 신호 접지부가 구비되는 전압 측정 장치를 포함하되, 상기 신호 입력부는 지면 간에는 제1 정전용량을 갖고 상기 신호 접지부 간에는 제2 정전용량을 가지며, 제3 정전용량이 상기 전압원의 상기 제2 극에 의해 지면 간에 나타나며, 상기 신호 접지부는 상기 표면을 따라 연장되는 전기 도전성 수단에 연결되고 지면 간에 제4 정전용량을 나타낸다. 첨부되는 특허청구범위에서 한정되는 본 발명에 따르면, 온갖 종류의 물체에 대해서 간편하게 조절 가능한 반응 거리에서 근접 탐지가 이루어질 수 있도록 하는 문제에 대한 해법이 마련된다.

이제 본 발명에 따른 다목적 센서가 도면을 참조하여 설명될 것인데, 도 1은 바람직한 실시예의 블록 선도를 도시하고, 도 2 내지 도 5는 지면으로부터 바라본 개략도로 차량을 도시한다.

도 1에서, 블록도는 대형 트럭은 물론 중형 그림이나 소형 휴대폰을 따라 형성되는 표면에 사람이 근접해 있음을 표시하기에 적절한 다목적 정전용량 센서를 도시한다. 전압 측정 장치(1)에는 지면(earth)(6)에 연결되는 제2 극(5)을 갖는 발진 전압원(4)의 제1 극(3)에 연결되는 신호 접지부(2)가 구비되며, 해당 발진 전압원은 정전용량 직렬 링크(capacitive series link)(9)가 지면(6)과 신호 입력부(7) 사이에 배열되고 정전용량 분로 링크(capacitive shunt link)(10)가 신호 접지부(2)와 신호 입력부(7) 사이에 배열되는 분압기(voltage divider)(8)를 통해 전압 측정 장치(1)의 신호 입력부(7)에 연결된다. 신호 접지부(2)는 상기 표면을 따라 연장되는 전기 도전성 수단에 연결되며, 발진 전압원(4)은 정전용량 직렬 링크(12)가 지면(6)과 제2 극(5) 사이에 배열되는 제2 분압기(11)를 통해 지면(6)에 연결된다. 분로 링크(13)는 신호 접지부(2)와 지면(6) 간에 나타나고 직렬 링크(12)에 의해 나타나는 정전용량과 적어도 동일한 자릿수의 정전용량에 의해 구비된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 발진 전압원(4)의 반복 주파수와 전압 진폭은 각각 10 자릿수 kHz와 10 자릿수 V를 가질 수 있다. 입력부(7)에서의 극히 작은 전압 진폭의 변화를 검출하기 위해 마이크로프로세서와 아날로그-디지털 변환기를 공지된 방식으로 사용함으로써, 전압 측정 장치(1)는 대형 트럭은 물론 소중한 그림을 따라 형성되는 표면에 대한 근접을 표시할 수 있다. 분압기(11)는 주변 환경에 존재하는 습기의 영향에 대응할 수 있도록 하며, 이는 전압 측정 장치(1)의 입력부(7)에 연결되고 지면(6)과 신호 접지부(2) 각각에 대해 대개 자유 대기 정전용량(free air capacitance)을 나타내는 하나의 그리고 동일한 전기 도전체에 의해 직렬 링크(9)와 분로 링크(10)가 마련되는 분압기(8)에 대해서도 적용된다.

전압원(4)의 제2 극(5)에 연결되고 상기 표면과 지면(6) 사이에 연장되는 전기 도전체는 제2 분압기(11)의 정전용량 직렬 링크(12)를 제공할 수 있다. 정전용량 직렬 링크(12)를 도출하는 전기 도전체의 경우에는 상기 전기 도전성 수단까지의 거리가 중요하지 않지만, 정전용량 직렬 링크(9)와 정전용량 분로 링크(10)를 제공하는 전기 도전체의 경우에 해당 거리는 적용 범위 내에서 최대한 큰 자유 공간을 가지도록 선택되어야 한다. 이는 예컨대 상기 표면이 상기 표면 하부에 배열되고 신호 접지부(2)에 연결되는 전기 도전성 포일에 의해 정전용량 분로 링크(13)가 간편하게 구비되는 미술품과 관련되는 경우에는 상기 전기 도전체 사이의 거리에도 동일하게 적용된다. 정전용량 직렬 링크(12)를 결정하는 전기 도전체는 포일에 상당히 가깝게 배치될 수 있다. 그러나 이 전기 도전체는 정전용량 직렬 링크(9)와 정전용량 링크(10)을 결정하고 따라서 바람직하게는 포일과 거리를 두고 배치되는 제2 도전체에 가까이 위치하면 안 된다. 한쪽 면에는 상기 전기 도전성 포일이 그림 뒤에 배열되고 벽에 대면하는 반대쪽 면에는 정전용량 직렬 링크(12)를 제공하는 전기 도전체가 배열되는 플라스틱 배면판이 그림에 마련되는 것으로, 실내의 독립형 벽을 위한 배터리 급전식 실시예에서, 정전용량 센서는 판의 주변부를 따라 단순히 연장되는 후자의 도전체와 함께 작용할 수 있다. 그림에 사람이 근접해 있음이 전압의 감소로서 전압 측정 장치(1)에 의해 표시되는 한편, 벽의 다른 쪽 면에 사람이 바로 근접해 있음은 본 적용례에서는 그냥 무시되어야 하는 전압의 증가로서 표시될 수 있다. 그러나 도어 적용례에서는 이들 근접 표시를 조합하여 사용함으로써 전술한 본 발명의 정전용량 센서의 플레이트 실시예는 사람이 들어오는 것인지 아니면 나가는 것인지를 판별할 수 있다.

상기 전기 도전성 수단이 금속 샤시와 관련되며 차륜이 지면에 대한 절연을 제공하는 차량 적용례에서는, 제2 분압기(11)의 정전용량 분로 링크(13)는 지면과 샤시 간의 정전용량에 의해 결정된다. 절연 전기 케이블이 상기 도전체로서 사용될 수 있으며, 정전용량 직렬 링크(12)를 제공하는 케이블은 샤시에 바로 근접하게 체결될 수 있다. 신호 접지부(2)와 발진 전압원(4)의 출력부(5) 간의 분로 정전용량의 규모는 문제가 되지 않는다. 그러나 정전용량 직렬 링크(9)와 정전용량 분로 링크(10)를 제공하는 전기 케이블은 샤시에 필요 이상으로 근접하게 배치되어서는 안 된다. 예컨대, 해당 케이블은 오늘날 차량 앞부분에 흔히 존재하는 것으로, 지면에 근접한 플라스틱 표면 하부에 체결될 수 있다. 해당 영역에 접근하는 물체는 전압 증가로서 전압 측정 장치(1)에 의해 표시되지만, 샤시나 해당 샤시에 연결되는 금속 구성요소에 대한 근접은 전압 감소로서 표시된다. 이들 표시는 운전자에게 경고 메시지를 발령하고 국소 경보기나 중앙 경보기를 작동시키기 위해 사용될 수 있다.

두 점의 미술품이나 두 대의 차량의 표면이 서로 인접하고 두 물체 모두에 이하 보다 상세히 설명하는 본 발명의 정전용량 센서가 마련되는 경우, 기술분야의 당업자는 예컨대 가능한 전자기 간섭에 대항할 수 있도록 전압 측정 장치(1)의 대응 복조에 의해 발진 전압원(4)에서 이른바 확산 스펙트럼 변조를 실행함으로써 전술한 바와 같은 실시예를 다양하게 개선할 수 있다.

본 발명에 따르면, 프리바이어스(prebias) 구성요소(14)가 전압원(4)의 극(5)과 전압 측정 장치(1)의 신호 입력부(7) 사이에 연결되고, 전압 측정 장치(1)의 신호 입력부(7)와 신호 접지부(2) 간에 나타나는 임피던스와 적어도 동일한 자릿수의 임피던스를 갖는다. 이들 임피던스 중 하나는 바람직하게는 전압 측정 장치(1)의 입력부(7)에서의 일정한 전압 진폭을 조절기 루프에서 유지함으로써 다른 임피던스에 자동으로 적합화되도록 배열된다. 이 배열로 인해 정전용량 센서는 예컨대 도 2 내지 도 5를 참조하여 후술하는 차량 적용례와 같은 많은 다양한 목적에 간편하게 사용될 수 있다.

전압 측정 장치(1)의 신호 입력부(7)와 신호 접지부(2) 간에 나타나는 상기 임피던스를 자동으로 조절되도록 배열하고 프리바이어스 요소(14)의 임피던스를 수동으로 변경 가능하도록 배열함으로써, 적절한 근접 반응 거리가 선택될 수 있다. 또한 적절한 근접 반응 거리는 프리바이어스 요소(14)의 임피던스를 자동으로 조절되도록 배열하고 전압 측정 장치(1)의 입력부(7)와 신호 접지부(2) 간에 나타나는 임피던스를 수동으로 변경 가능하도록 배열함으로써 선택될 수도 있다. 수동으로 변경 가능한 임피던스는 위의 두 경우 모두에서 저항기(reostat)로서 유선 연결되는 대수 전위차계(logarithmic potentiometer)에 의해 간편하게 제공될 수 있다.

도 2 내지 도 5는 지면에서 바라본 개략도로 차량(15)을 도시한다. 본 실시예에 따르면, 본 발명의 정전용량 센서의 신호 접지부(2)는 차량(15)의 금속 샤시(미도시)에 연결되도록 배열된다. 도 2에 도시된 두 쌍의 차륜(16, 17) 사이의 대향하는 양 측면에는 절연 전기 도전체(18)가 발진 전압원(4)의 극(5)에 연결되도록 배열되며, 다른 절연 전기 도전체(19)는 전압 측정 장치(1)의 입력부(7)에 연결되도록 배열된다. 본 실시예는 차량(15)에 접근하는 사람을 탐지하기에 적절하다. 적절한 근접 검출 거리가 상술한 바와 같이 편리하게 선택될 수 있다.

도 3은 차량(15) 뒷부분에는 발진 전압원(4)의 극(5)에 연결되도록 배열되는 절연 전기 도전체(20)가 마련되고 앞부분에는 전압 측정 장치(1)의 입력부(7)에 연결되도록 배열되는 절연 전기 도전체(21)가 마련되는 또 다른 실시예를 도시한다. 도 4에는 차량(15)에서 절연 전기 도전체(22)는 연료 탱크 밑에 배치되고 발진 전압원(4)의 극(5)에 연결되도록 배열되며, 절연 전기 도전체(23)는 앞부분에 배치되고 전압 측정 장치(1)의 입력부(7)에 연결되도록 배열되는 제3 실시예가 도시되어 있다. 차량(15)의 앞부분을 따라 마련되는 근접 반응 거리는 이들 후자의 실시예에서는 1 미터까지 연장될 수 있어서 예컨대 차량(15)이 우회전하는 대형 트럭일 경우에 자전거를 탄 사람이나 보행자를 탐지하는 데 도움을 줄 수 있다.

도 5에 도시된 제4 실시예에서, 절연 전기 도전체(24)는 차량(15)의 뒷부분에 배치되고 발진 전압원(4)의 극(5)에 연결되도록 배열된다. 절연 전기 도전체(25)는 차량(15) 밑부분의 상당히 큰 면적을 점유하고 전압 측정 장치(1)의 입력부(7)에 연결되도록 배열된다. 본 실시예에 따르면, 트레일러(26)와 차량(15)은 각각의 수단(27, 28)을 통해 기계적으로 전기적으로 상호 연결된다. 이로써 트레일러(26)의 금속 샤시는 정전용량 센서의 신호 접지부(2)에 연결되도록 배열되어 차량(15)의 샤시와 동일한 근접 탐지 기능을 나타내게 된다. 이 경우 반응 거리는 바로 근접한 거리에 한정된다. 차량(15)의 뒷부분에 배치되는 것으로 도시되어 있지만 차량의 전체 주변부를 따라 연장될 수 있는 전기 도전체(24)를 따라, 프리바이어스 요소(14)에 의해 근접 반응 거리를 선택하는 것이 가능하다. 이 특징이 바람직하지 않고 차량(15)에 연결되는 트레일러(26)가 없는 경우에, 차량의 금속 샤시는 프리바이어스 요소(14)의 제어 하에서 전기 도전체(24)의 길이가 단축되거나 전기 도전체가 아예 존재하지 않는 경우에도 근접 탐지를 표시할 수 있다. 이로 인한 감도의 손실은 전기 도전체(25)의 면적을 증가시킴으로써 상쇄될 수 있다.

기술분야의 당업자는 특허청구범위에서 한정되는 본 발명의 범위 내에서 차량(15)을 대상으로 앞에서 설명된 실시예를 쉽게 변경할 수 있고, 상기 실시예의 기하구조적 구성을 예술품이나 휴대폰은 물론 백색 가전제품과 여러 다른 장치로 이전할 수 있다.

Claims

대형 트럭은 물론 중형 그림이나 소형 휴대폰을 따라 형성되는 표면에 대한 사람의 근접을 표시하기에 적절한 다목적 정전용량 센서로서, 전압 측정 장치(1)에는 해당 전압 측정 장치의 신호 입력부(7)에 연결되는 제2 극(5)을 갖는 발진 전압원의 제1 극에 연결되는 신호 접지부(2)가 구비되며, 상기 신호 입력부는 지면(6) 간에 제1 정전용량(9)을 갖고 상기 신호 접지부 간에 제2 정전용량(10)을 가지며, 제3 정전용량(12)이 상기 전압 공급원의 상기 제2 극에 의해 지면 간에 나타나며, 상기 신호 접지부는 상기 표면을 따라 연장되는 전기 도전성 수단에 연결되고 상기 제3 정전용량과 적어도 동일한 자릿수의 크기를 갖는 지면 간의 제4 정전용량(13)을 나타내며, 프리바이어스 요소(prebias component)(14)가 상기 전압원의 상기 제2 극과 상기 전압 측정 장치의 상기 신호 입력부 사이에 연결되고 상기 신호 입력부와 상기 신호 접지부 사이에 나타나는 임피던스와 적어도 동일한 자릿수의 임피던스를 갖는 것을 특징으로 하는 다목적 정전용량 센서.
제1항에 있어서,
상기 임피던스 중 하나는 상기 전압 측정 장치의 상기 신호 입력부에서의 일정한 전압 진폭을 조절기 루프에서 유지함으로써 다른 임피던스에 자동으로 적합화되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 다목적 정전용량 센서.
제2항에 있어서,
상기 프리바이어스 요소의 상기 임피던스는 상기 신호 입력부와 상기 신호 접지부 간에 나타나는 상기 임피던스에 자동으로 적합화되도록 배열되며, 후자의 임피던스는 적절한 근접 반응 거리를 선택하기 위해 수동으로 조절 가능하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 다목적 정전용량 센서.
제2항에 있어서,
상기 신호 입력부와 상기 신호 접지부 간에 나타나는 상기 임피던스는 상기 프리바이어스 요소의 상기 임피던스에 자동으로 적합화되도록 배열되며, 후자의 임피던스는 적절한 근접 반응 거리를 선택하기 위해 수동으로 조절 가능하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 다목적 정전용량 센서.