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KR0181693B1 - 비에 응답하여 윈드실드 와이퍼를 제어하는 장치 및 이의 시스템 - Google Patents

비에 응답하여 윈드실드 와이퍼를 제어하는 장치 및 이의 시스템 Download PDF

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Publication number
KR0181693B1
KR0181693B1 KR1019910700956A KR910700956A KR0181693B1 KR 0181693 B1 KR0181693 B1 KR 0181693B1 KR 1019910700956 A KR1019910700956 A KR 1019910700956A KR 910700956 A KR910700956 A KR 910700956A KR 0181693 B1 KR0181693 B1 KR 0181693B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
windshield
signal
sensor
output
radiant energy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
KR1019910700956A
Other languages
English (en)
Inventor
레인 에스 테더
Original Assignee
앨런 제이. 밀러
리베이 오웬즈 포드 캄파니
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=27038029&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=KR0181693(B1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by 앨런 제이. 밀러, 리베이 오웬즈 포드 캄파니 filed Critical 앨런 제이. 밀러
Application granted granted Critical
Publication of KR0181693B1 publication Critical patent/KR0181693B1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Abstract

윈드실드 와이퍼 모터용 제어 회로가 개시되어 있는데, 여기서, 와이퍼 모터는 윈드실드상의 물방울의 존재에 자동적으로 응답하므로써 와이퍼 블레이드가 조우된 강수량 레벨에 따른 비율로 전후로 스위핑된다. 샘플·홀드 회로(322, 324), 대역 필터링(330) 및 마이크로 프로세서 제어(336)하의 차동 증폭기(320)를 사용함으로써, 주변 광선의 변화로 인한 시스템의 장애는 선형적으로 제거되고 시스템은 이러한 장애에 면역된다. 시스템은 의도적 재트리거 알고리즘을 이용하는데, 이것으로 시스템은 센서(50)를 벗어났지만 와이퍼 블레이드에 의해 스위핑된 윈드실드(304)의 면적내에 떨어진 물방울을 검출가능하다. 이 시스템은 다른 투광도의 윈드실드에 자동적으로 적응되고, 전자기 방해에 한 작동을 방지한다.

Description

[발명의 명칭]
비에 응답하여 윈드실드 와이퍼를 제어하는 장치 및 이의 시스템
[발명의 상세한 설명]
[발명의 배경]
[발명의 분야]
본 발명은 차량의 윈드실드 와이퍼 모터(windshield wiper motor)에 사용되는 제어 회로에 관한 것으로, 특히 조우하는 강수량의 강도에 관련하여 와이퍼 모터를 동작시키고 속도를 조절하기 위해서 차량의 차창상의 수분인 물방울을 감지하는 회로에 관한 것이다.
[종래 기술의 설명]
윈드실드 와이퍼를 갖춘 오늘날 대부분의 차량들은 운전자가 수동 스위치 레버를 조작함에 따라 와이퍼 모터가 간헐적으로 또는 저속 또는 고속으로 동작하도록 제어되는 와이퍼 시스템을 이용한다. 또한, 이러한 와이퍼 제어 시스템은 종종, 와이퍼 모터가 간헐 모드로 동작할 때에 연속 스트로크(strokes) 사이의 시간 간격의 조정이 가능하므로 각종 지연 특징을 포함한다.
선행 기술인 미합중국 특허 제 4,620,141호에는, 사전 설정된 듀티 사이클(duty cycle)에 따라 온 및 오프 펄스가 발생되는 LED와 같은 다수의 복사 에너지원과, 윈드실드의 외부면에서 교차되도록 투광 채널에 관련하여 배향되는 포토트랜지스터와 같은 다수의 복사 에너지 센서를 이용하는 센서 모듈 장착 윈드실드를 포함하는 윈드실드 와이퍼 모터용 전자식 제어 회로가 공지되어 있다. 다수의 센서는 브리지 구조로 접속되어 있고, 물방울이 윈드실드상에 부딪치면 복사 에너지원으로부터의 광선은 굴절되어 브리지를 불균형하게 만든다. 동기식 복조기 회로는 브리지 구조로부터의 출력을 수신하고 동기식 복조기를 전환하여 센서 모듈내의 복사 에너지원의 펄스 에너자이제이션(pulsed energization)과 동상이 된다.
다음에 동기식 복조기로부터의 출력은 사전 결정된 기준에 이 신호를 비교하도록 구성된 AGC 증폭기에 제공된다. 센서 브리지가 윈드실드상의 습기로 인해 불균형하게 되면, 신호는 방향 변경과 상관없는 이진 신호를 생성하는 윈도우 비교기에 제공된다. 다음에 이진 신호는 적분되어 전압 제어 발진기에 제공되는데, 이 전압 제어 발진기는, 조우될 비의 인식 레벨의 함수로서 변화하는 비율로 와이퍼를 구동시키기 위해 윈드실드 와이퍼 지연 회로를 포함하는 회로내에 효과적으로 결합된다.
선행 특허 기술의 장치는 강수량 레벨에 따라 와이핑 속도를 제어하는데 매우 적합하지만, 센서 모듈에 충격을 주는 주변 광선 내에서의 급격한 또는 맥동적인 변화로 종종 거짓 트리거링(triggering)이 발생되고 비가 오지않을 때에도 와이퍼가 동작되는 결점이 있다. 예를 들면, 고속도로의 주행시에 전화 안테나등의 그림자가 윈드실드를 가로 지르면서 스치면, 선행 특허 기술의 회로는 종종 착각을 일으켜 와이퍼 모터의 거짓 트리거링을 발생시킨다. 상업적으로 실용성이 있기 위해서는, 모든 광학적 비 감지 와이퍼 제어는 주변 광선에서의 시프트(shift)에 의해 발생되는 노이즈(noise)를 처리할 수 있어야 한다. 종래 기술의 비 응답 와이퍼에 있어서, 사용된 감지 회로가 윈드실드상에 부딪친 비에 의해 발생되는 적외선 에너지 변조와 차량이 고속도로를 주행할 시에 교각, 전화 안테나 등의 그림자에 변조되는 태양 광선으로 인해 변화하는 적외선 에너지를 구별할 수 없다는 점에서 주변 광선은 처리하기 어려운 문제이다. 전술한 미합중국 특허 제4,620,141호에 있어서는, 공통 모드 노이즈를 상쇄시킴으로써 주변 장애를 제거하려는 시도가 있었다. 또한 이 시스템은 필터링(filtering)함으로써 비 센서(rain sensor)상의 주변 광선 효과를 더 감소시킨다. 이 시스템은 종래 기술인 미합중국 특허 제4,859,876호 및 제4,867,561호에 공지되어 있는데, 이들 각각은 비 응답 윈드실드와이퍼 제어에 관련되며, 분리 광학 광선 센서를 사용한 다음에 이의 출력을 사용하여 비의 현재 측정이 이루어지는 임계 레벨을 시프트시킴으로써 제어가 주변 광선에 면역되도록 시도한다. 다시 말하면, 분리 광학 비 센서와 분리 광학 광선센서는 이들 각각의 출력을 디지탈 비교기에 공급하는데 사용된다. 그러나, 이러한 방법들 각각은 대량의 광선이 존재할 시에는 소량의 비가 검출되지 않는다는 문제가 있다. 디지탈 비교는 단지 비의 양이 광선량보다 많다는 것을 나타낸다. 비록 밝은 햇빛이 있더라도, 호우뿐만 아니라 소량의 비에도 응답하는 상업성 있는 비 응답 윈드실드 와이퍼 제어가 중요하다.
상기 특허 제4,859,867호 및 제4,867,561호에 공지된 시스템은 주변 광선을 제거하기 위한 분리 센서를 필요로 하는데, 이것은 물론 시스템의 가격에 추가된다. 그러나, 보다 중요한 것은 유효 주변 광선이 비 센서 소자상에서와 광선 센서 소자상에서 동일하지 않을 수도 있다는 것이다. 따라서, 공지된 방법은 주변 광선 장애를 정확하게 측정하는 방법상에 있어서 엄격한 제한을 가진다.
종래 시스템의 다른 문제점은 센서의 시야 하의 영역을 벗어나거나 윈드실드를 가리는 형태로 비가 내릴 수 있을 때의 동작과 관련이 있다. 윈드실드 크기와 비교하여 작은 능동 감지 영역을 사용하는 모든 종래 시스템은 이러한 문제점을 가지며, 예들은 미합중국 특허 제4,595,866호, 제4,463,294호, 제4,527,105호, 제4,481,450호, 제4,355,271호 등과 마찬가지로 상술한 미합중국 특허 제4,859,867호와 제4,867,561호에 기재되어 있다. 본 발명에 있어서, 센서를 벗어나는 물은 윈드실드 와이퍼에 의해 모아져서 센서위를 통과하고, 검출된다. 따라서, 이러한 의도적인 재트리거링 알고리즘은 윈드실드의 전체 영역을 효과적으로 사용하여 물을 검출함으로써 이러한 문제점을 제거한다.
광학 기술에 근거한 종래 시스템의 또다른 결점은 윈드실드의 표면이 울퉁불퉁해지고 시스템의 광학 특성이 저하됨에 따라서, 차량의 수명에 걸쳐 감도가 떨어지는 경향이 있다는 것이다. 더욱이, 시스템은 상이한 투광도의 윈드실드에 대해 상이하게 수행된다. 미합중국 특허 제4,916,374호에서와 같이, 종래 대부분은 간단하게 유니트(unit)의 성능을 저하시킨다. 상술한 특허 제4,620,141호에는, 이러한 변화를 보상하기 위해 시스템의 감도를 조정하는 자동 이득 제어(AGC)를 사용할 수 있다는 것이 나타나 있다. AGC 방법과 관련된 문제점은 시스템이 이득을 증가시켜 적당한 감도를 얻었을 때, 디바이스가 원하는 신호와 함께 주변 광선 장애 및 다른 노이즈를 증폭시킨다는 것이다. 따라서, 시스템의 신호 대 노이즈비는 감쇠한다. 본 발명은 광 검출기로 되돌아오는 신호의 세기를 검출할 수 있고 포토에미터(photoemitters)의 세기를 적절히 변경시킬 수 있기 때문에, 시스템이 일정한 신호대 노이즈비의 디바이스로서 기능할 수 있게 한다.
[본 발명의 목적]
본 발명의 주 목적은 디바이스가 투명한 표면상에 부딪치는 비에 응답하여 동작하게 하는 전기 모터 구동 디바이스에 제어 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 개량되고 좀 더 신뢰할 수 있는 윈드실드 와이퍼 수분응답 제어 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 윈드실드상에 부딪치는 물방울에만 응답하고 윈드실드상에 부딪치는 주변 광선내의 변화로부터 면역된 윈드실드 와이퍼 모터용 제어 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 높은 주변 광선 장애에도 불구하고 비가 오는 것을 감지할 수 있는 수분 감지 윈드실드 와이퍼 제어를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 광학 센서 소자가 대응된 윈드실드 표면상에 비가 부딪치지는 않지만 시야가 방해받는 윈드실드를 깨끗이 하기 위해서 의도적으로 재트리거시키는 윈드실드 와이퍼 제어 시스템을 제공하려는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 자체 교정됨으로써 변화하는 광학 전도성 특성을 갖는 설비에 사용가능한 광학 센서를 자동 비 응답 모터 제어 시스템에 제공하는데 있다.
[본 발명의 요약]
본 발명의 상기 특징 및 목적은 복사 에너지원의 맥동적인 에너자이제이션의 듀티 사이클을 복사 에너지원이 온 상태일 때의 비 감지 간격과 복사 에너지원이 오프 상태일 때의 주변 광선 감지 간격으로 분할하므로써 성취된다. 센서 모듈을 포함하는 다수의 포토센서는 포지티브(positive) 전압 레일과 접지 레일 사이에 병렬의 직렬쌍으로 접속되고, 각 쌍의 공유점은 제1 및 제2 샘플·홀드 회로에 공통적으로 결합된다. 제1샘플·홀드 회로는 비 감지 간격동안 센서 회로의 전압 출력을 포착하고, 제2 샘플·홀드 회로는 주변 광선 감지 간격동안 센서 출력 전압을 포착한다. 다음에, 샘플 신호는 주변 광선내의 시프트로 인한 공통 모드 센서 전압 변화를 효과적으로 제거하는 시간 시프트 차동 합산 회로에 제공된다.
본 발명의 제1실시예에 따르면, 차동 합산 회로의 출력은 증폭되고 대역 필터링되어 윈도우 비교기의 제1입력에 제공된다. 비교기의 입력이 2개의 설정된 임계치 사이에 있는 한, 비가 감지되지 않는다는 것을 나타낸다. 비 감지 간격동안 발생하는, 증폭되고 대역 필터링된 신호 회유가 윈도우 한계치를 상향 또는 하향으로 초과하면, 2진형 펄스 신호가 비 제어 발진기로서 기능하도록 프로그램된 마이크로프로세서에 전달된다. 마이크로콘트롤러가 필수 제어 신호를 차량용 윈드실드 와이퍼 모터와 같은 전기 모터 제어 디바이스에 전달하므로써 비 감지 샘플링 간격동안 빗방울이 감지되는 비율에 따라 간헐적, 저속 또는 고속으로 와이핑 스트로크(wiping strokes)를 발생시킨다.
더욱이, 샘플·홀드 회로가 제공되어 광선 감지 간격동안 포지티브(positive)전압 레일에서의 전압을 포착한다. 또한, 이 포착된 신호는 증폭 및 대역 필터링 되어 윈도우 비교기에 제공된다. 주변 광선내의 변화로 인해 포지티브 레일상의 전압이 충분히 변하여 증폭된 버전이 윈도우 비교기에서 설정된 한계치 밖으로 떨어지면, 2진 펄스형 신호가 생성되어 마이크로콘트롤러에 입력으로서 제공된다. 이러한 입력은 짧은 사전 결정된 시간 간격 동안에 비 제어 발진기의 주파수의 소정 변화를 제거시키는데 효과적이고, 따라서 시스템이 인공적인 그림자 등으로 인한 주변 광선에서의 시프트로 인하여 거짓 트리거링을 하는 것을 방지한다.
본 발명에 따르면, 비를 검출하는데 사용되는 센서와 매우 유사한 센서가 주변 광선내의 변화에 대한 효과를 선형적으로 상쇄시키는데 또한 사용된다. 전자 장치는 시간내에 2개의 상이한 간격에서의 비 센서의 출력을 샘플링하고 2개의 샘플 사이의 차를 결정할 수 있도록 구성된다. 2개의 해당 샘플은 센서상의 광선만의 효과와 동일한 센서상의 비 및 광선의 효과이다. 전자 장치는 광선의 효과를 선형 제거시켜 최종 신호가 센서상의 비의 효과만을 나타내도록 한다.
이러한 개념은 매우 강한 주변 광선에도 불구하고 소량의 비를 검출할 수 있다는 점에서 종래의 기술보다는 상당히 개선된 것이다.
본 발명에서 구체화된 독특한 방법 때문에, 비 감지 시스템은 맑은 날에도 작동하도록 차량 전면으로부터의 물보라에 반응할 수 있다. 이것은 상술한 라슨(Larson) 또는 푸지(fujii) 시스템에 해당되지 않을 수도 있다.
또한, 본 발명의 회로는 자동 LED 전류 조정을 제공하여 상이한 윈드실드의 투광도의 변화를 보상한다. 다운스트림(downstream) 복조 증폭기의 이득에 대한 조정이 행해지는 자동 이득 제어 방법을 사용하는 것보다, 본 발명에 따라서 LED 여기 소오스(excitation source)의 세기는 윈드실드의 투광도내의 차이를 수용할 수 있도록 조정된다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명의 비 응답 윈드실드 와이퍼 제어 시스템의 블럭도.
제2a,b도는 제2도에 도시된 바와 같이 배치될 때, 본 발명의 제1실시예를 개략적으로 도시한 전기적 선도.
제3도는 다른 실시예를 고려하여 제2a도 및 제2b도의 개략도를 수정한 도면.
제4도는 센서 모듈 장착 윈드실드의 사시도.
제5도는 제4도의 절단면도.
제6도는 제4도의 센서 유니트가 윈드실드상에 장착될 수 있는 방식을 도시한 도면.
제7도는 의도적인 재트리거링 알고리즘을 이해하는데 도움을 주기 위한 윈드실드의 부분적인 정면도.
제8도는 제2a도 및 제b도의 제어 회로의 동작을 설명하는데 도움을 주기 위한 일련의 파형을 도시한 도면.
제9도는 제7도와 관련된 의도적인 재트리거링 개념을 이해하는데 도움을 주기 위한 일련의 파형을 도시한 도면.
제10도는 전면 루틴의 소프트웨어 흐름도.
제11도는 후면 루틴의 소프트웨어 흐름도.
[본 발명의 양호한 실시예에 대한 설명]
먼저, 제1도를 참조하면, 본 발명의 개량된 비 응답 윈드실드 와이퍼 제어의 시스템 블럭도가 도시되어 있다. 시스템은 자동차의 윈드실드 와이퍼의 동작을 제어하는 것과 관련하여 기술되면, 당업자라면 비가 올 경우에 자동차의 윈도우, 콘버터블(convertible)지붕 또는 태양 가리개와 같은 자동차의 다른 메카니즘을 동작시키는데에 동일한 개념을 적용할 수 있다는 것을 알수 있을 것이다.
제어 시스템은 다양한 세기의 펄스 발생기(300)를 포함하는 것으로 도시되는데, 이 펄스 발생기(300)는 발광 다이오드의 어레이를 구동시키는데 적합하고, 단지 하나의 발광 다이오드만이 도시되어 있으며, 번호(302)로 표시되어 있다. LED가 장착된 센서 모듈에 의해 점유되는 윈드실드의 면적에 따라 사용될 LED의 수가 정해진다. 펄스 발생기(300)에 의해 구동될 때에 발광 다이오드에 의해 방출된 광선 에너지는 블럭(304)로 표시된 바와 같이 윈드실드의 유리를 통과할 뿐만 아니라 마찬가지로 센서 블럭 장착 윈드실드에 배치된 광섬유를 포함하는 광채널을 통해 통과된다. 또한, 센서 모듈은 여기에서 일반적으로 번호(306)로 표시된 포토트랜지스터의 어레이를 포함한다. 각각의 LED는 2개의 포토트랜지스터를 조명하여 포토센서의 수가 LED의 2배가 되게 한다. 포토트랜지스터(306)에 결합된 수단은 여기 세기(excitation intensity)(블럭; 308)을 측정하도록 동작하고, 비교기(310)에 신호를 제공하는데, 이 비교기는 측정된 여기의 세기를 사전 결정된 기준과 비교하고, LED를 구동시키는 다양한 세기의 펄스 발생기(300)에 라인(312)를 통해 피드백 차 신호를 제공한다. 또한, 포토센서(306)는 대역 필터(316)에 출력을 제공하는 주변 광선 세기 측정 회로에 결합된다.
이 시점에서, 발생기(300)에 의해 발생된 펄스의 듀티 사이클이 LED 어레이(302)가 통전될 때에 비 감지 간격에 제공되고 LED 어레이(302)가 펄스화되지 않았을 때에 주변 광선 감지 간격에 제공되는 것을 주지해야 한다. 센서 어레이로부터 출력된 신호는 라인(318)을 거쳐 시간 시프트 선형 차동 증폭기(320)에 제공된다. 즉, 선형 차동 증폭기(320)는 시간내에 센서 출력 신호의 2개의 밀접하게 이격된 시간 샘플에 공통적인 장애를 선형적으로 제거하기 위한 수단이다. 증폭기는 비 감지 샘플·홀드 회로(322)와 광선 감지 샘플·홀드 회로(324)를 포함한다.
광선 감지 간격동안 센서 어레이(306)의 출력에 비례하는, 차동 합산 증폭기(326)내의 신호는 LED(302)가 구동될 때의 비 감지 간격동안 센서 어레이로부터의 출력에 비례하는 신호로부터 효과적으로 감산된다. 다음에 라인(328)상의 결과적인 출력은 대역 필터(330)에서 대역 필터링되어 비감지 신호를 포함하는 라인(332)상에 최종 출력 된다. 마찬가지로, 라인(334)상의 대역 필터(316)의 출력은 광선감지 신호를 포함한다. 제1 실시예에 따르면, 차동 합산 증폭기(326)의 아날로그 출력은 제1대역 필터링되고 윈도우 비교기내에서 신호 처리되어 마이크로프로세서(336)에 전달되기 전에 디지탈 신호화된다. 마이크로프로세서가 A/D 컨버터상에 있을 경우, 아날로그 버젼의 비 감지 신호와 광선 감지 신호는 라인(332 와 334)를 거쳐 전달되고 마이크로프로세서(336)에 의해 조작될 수 있는 피연산자로 차후에 사용하기 위해 디지탈화됨으로써 본 발명의 시스템을 여러가지 상이한 모터 동작 장치 즉, 몇몇 자동차 제조업자에 의해 사용된 윈드실드 와이퍼 시스템과 조화시키는데 사용되는 차량 인터페이스 회로(340)에 라인(338)상의 제어 신호를 제공한다.
제1도의 블럭도로 표시된 시스템은 차량의 윈드실드상의 비의 존재를 검출하여 주변 광선 변이의 효과를 선형적으로 제거하는 동일한 센서를 사용할 수 있다는 것을 알 수 있다. 다시 말하면, 상기 시스템은 시간내에 2개의 상이한 점에서 센서(306)의 출력을 샘플링하고 상기 2개의 샘플 사이의 차를 결정한다. 제1샘플은 센서상의 광선 효과만을 반영하고 제2샘플은 상기 센서상의 광선 및 비의 효과의 모두를 반영한다. 광선 및 비로 인한 신호로부터 주변 광선 신호를 선형적으로 감산시킴으로써, 센서상의 비의 효과만이 발생된다.
당업자라면 상이한 윈드실드를 통하는 광선 에너지의 투광도에 변이가 존재할 수 있다는 것을 알고 있을 것이다. 예를 들면, 상이한 형태의 유리는 IR 복사 흡수량이 다르다는 것을 나타낸다. 미합중국 오하이오주 톨레도에 실재하는 리베이오웬즈 TM 포드사(Libbey-Owens-Ford Co, )가 EZ KOOL 이란 상표로 시판하는 유리는 태양의 입사 복사선으로 인한 자동차 내부에서 열의 증가를 감소시킨다. 다른 제조업자들은 연관된 목적으로 코팅을 하거나 어둡게 하는 화학 약품을 사용할 수도 있다. 본 발명의 시스템을 광벙위한 차량에 보다 보편적으로 적용시키기 위해서, 본 발명의 시스템은 포토센서로부터의 다운스트림에 배치된 AGC 증폭기의 이득을 변화시키기 위한 종래 AGC 방법을 이용하는 것보다는 LED 다이오드 어레이(302)에 전달된 여기의 세기를 자동적으로 변화시킬 수 있도록 설계된다. 여기 세기 측정회로(308)가 센서의 평형 출력과 독립적으로 동작하기 때문에, 여기 신호 강도의 함축적인 표시는 실제 센서 출력이 0이더라도 생성될 수 있다. 이 신호는 다양한 세기의 펄스 발생기(300)로 피드백되어 LED 어레이(302)에 공급된 구동 신호의 진폭을 변화시킨다. 상세히 후술하는 바와 같이 제1도의 시스템의 특정한 수행이 시작되면, 윈드실드 투광도에서의 폭넓은 변동과 다른 광학 현상에도 불구하고 예상 동작은 달성될 수 있다. LED 펄스 발생과 샘플·홀드에 대해 적당한 타이밍을 제공하기 위한 마이크로프로세서의 접속기들은 제1도에서 도시되지 않았다.
잠시 제4도 및 제5도를 참조하면, 비 센서 유니트의 기계적 구조가 도시된다. 이 유니트는 참조 번호(10)으로 표시되고 수평과 약 45°의 각을 이루는 모서리면(14 와 16)을 가지는 불투명 물질의 블럭(12)로 이루어진다. 블럭(12)의 밑면에 대해 약 45°의 각으로 연장되는 모서리면(14)내에 한 쌍의 보어(bore)(18과 20)은 드릴로 구멍을 뚫거나 다른 방법으로 형성된다. 어떤 제한도 없이 단지 설명할 목적으로, 보어(18과 20)는 직경이 약 0.556(cm)이기 때문에 0.476(cm)의 투명 합성 수지 막대 또는 도광관(22)이 보어내에 배치될 수 있고, 도광관의 하단부는 불투명 블럭(12)의 밑면(24)과 동일 평면상이 되도록 형성된다. 또한, 적외선 스펙트럼내의 복사선을 양호하게 방출하는 발광 다이오드(LED)는 보어(18과 20) 각각에 꼭들어 맞는다.
유사한 방식으로, 다수의 원통형 보어(26,28,30 및 32)는 블럭(12)의 모서리면(16)에 형성된다. 단지 4개의 보어만이 도시되었지만, 실제로는 더 많은 수가 보다 넓은 면적(말하자면, 12cm2)에 추가될 수 있다. 또한, 이러한 보어들은 수평에서 약 45°의 각으로 연장되고 보어(18과 20)과 밑면(24)과의 교차점으로부터 약 1.194(cm) 간격을 둔 지점에서 밑면(24)과 교차한다.
보어(26 내지 32)는 직경이 0.397(cm)이기 때문에 제5도의 (34)와 같은 직경 0.318(cm)의 아크릴 또는 투명 플라스틱 막대를 수용할 수 있다. 선택적으로, 광섬유 다발이 사용될 수도 있다. 대응하는 다수의 포토트랜지스터는 아크릴 도광관(34)와 통하고 보어(26 내지 32)의 상단부에 꼭 맞는데, 이것은 참조 번호(36)으로 제5도에서 하나만 도시되어 있다.
블럭(12)은 차량의 윈드실드(38)의 내측면에 접착제로 결합되어 배치된다. 윈드실드 유리의 두께가 약 0.584(cm)이고 각각의 보어(18 내지 20과 26 내지 32)들이 윈드실드(38)와 이루는 각이 주어지면, 도광관(22)을 통과하는 광선과 센서보어(26 내지 32)의 가상축과의 교차점은 유리판(38)의 바깥 면(40)에 있다. 따라서, 표면(40)에서 유리와 대기 사이의 굴절율의 변화를 고려해 보면, 기하학적으로 LED(23)의 광선은 도광관(34)을 통해 위로 반사되어 보어(26 내지 32)내에 함유된 관련 포토트랜지스터 센서(36)상으로 반사된다. LED(23)로부터의 광선의 교차점에서 외부면(40)상의 물방울은 반사된 광선의 각도 및 위치를 변경시키고, 광선을 산란시키므로써 포토 트랜지스터 센서(36)와 관련된 도광관(34)을 통해 더 이상 일정하게 통과하지 않는다. 좀 더 상세하게 후술되는 바와 같이, 센서에 도달하는 광선 세기의 이러한 변화는 최종적으로 윈드실드 와이퍼와 같은 제어될 디바이스의 모터를 트리거시켜 동작시킨다.
이제, 제6도를 참조하면, 모터 작동 태양 가리개(43) 또는 모터 작동 콘버터블 지붕 및 윈드실드(38)상의 모터 작동 윈드실드 와이퍼를 포함하는 자동차(42)가 도시되어 있다. 본 발명은 윈드실드 와이퍼(44)의 작동을 제어하는 것과 관련하여 기술되지만, 당업자라면 또한 본 발명이 모터 작동 윈도우, 지붕 및/또는 태양 가리개를 제어하는 데에도 적용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 윈드실드 와이퍼(44)는 종래의 설계로 만들어지는데, 이것은 와이퍼 모터(도시되지 않음)로 구동되어 블레이드(blade)(44)가 윈드실드 표면을 가로질러 앞뒤로 왕복함으로써 비 등을 제거한다. 센서 하우징(10)은 객석의 배면 거울(46)뒤에 올려져 있다. 유니트(10)가 배면 거울(46)뒤에 있기 때문에 운전자 또는 승객의 시야를 방해하지 않는다. 제7도와 관련하여 좀 더 상세하게 설명하자면, 유니트(10)는 와이퍼 블레이드(44)가 닦는 경로에 배치된다.
말하자면, 이러한 장치에 있어서 윈드실드 유리 두께가 0.584(cm) 이하이면, 적당한 두께의 아크릴 또는 다른 투명 플라스틱 쐐기(shim)(48)이 하우징(12)의 밑면(24)와 윈드실드의 내부면 사이에 삽입되어 유리의 실질 두께를 바람직한 0.584(cm)로 증가시킨다.
센서 유니트(10)의 기계적 구조를 설명했는데, 다음은 포토 센서에 도달하는 IR 광선의 상태를 모니터하는데 사용되는 전자 회로를 고려할 것이다. 이와 관련하여, 제2a도 및 제2b도의 회로가 참조되는데, 이것은 제2도에 배열된 바와 같이 제1실시예를 도시한다.
블럭(12)의 보어내에 함유된 포토센서는 제2a도에 참조 번호(50)으로 표시되고 직렬 접속된 쌍(52-54, 56-58, ...... 60-62)의 병렬 그룹으로 배열된다. 포토트랜지스터의 상층부 행의 콜렉터들은 공통적으로 콘덕터(64)에 의해 분기점(66)에 접속되고, 차례로 저항기(193)를 경유하여 전압원(Vcc1)에 결합된다. 마찬가지로, 포토트랜지스터의 하층부 행의 에미터 전극은 콘덕터(72)에 의해 분기점(70)에서 공통으로 접속되고, 분기점(70)은 저항기(74)를 경유하여 기준 전위(접지)의 소오스에 결합된다. 저항기(193과 74)의 저항치가 같기 때문에 전체 어레이의 포토 트랜지스터가 일정하게 조광되면 센서 출력 콘덕터(76)상의 전위는 소오스(Vcc1)과 접지 사이의 중간 정도에 존재한다. 콘덕터(76)는 직렬 접속된 쌍의 모든 분기점을 출력이 콘덕터(80)을 경유하여 캐패시터(84)와 큰 값의 저항기(86) 사이의 분기점(82)에 결합되는 장방형 양방향성 스위치의 제1소자(78)의 입력에 공통으로 접속시킨다. 온/오프 상태의 장방형 양방향성 스위치 소자(78)가 마이크로콘트롤러(90)의 단자(88)에 제공되는 디지탈 펄스 신호에 의해 제어된다. 이러한 동일 제어 신호는 입력이 분기점(6)에 결합된 장방형 양방향성 스위치의 제2소자(92)에 제공된다. 스위치(92)의 출력은 콘덕터(94)를 경유하여 절선 박스(96)로 둘러싸여 도시된 자동 세기 제어 회로의 입력에 접속된다. 세기 제어 회로는 포토에미터(23)를 통하는 전류를 자동적으로 조절하여 차량-대-차량의 윈드실드 투광도 차이를 조절한다. 이러한 수행 방식은 다음에 더 상세하게 설명할 것이다.
장방형 양방향성 스위치의 제3소자(98)는 콘덕터(100)를 경유하여 분기점(66)으로부터의 출력을 수신하고, 스위치 소자(98)가 온 상태일 때 분기점(102)에서의 출력을 제공한다. 분기점(102)과 접지와의 사이에 캐패시터(104)가 결합된다. 또한, 소자(98)에 대한 온/오프 제어는 콘덕터(106)를 경유하여 마이크로콘트롤러(90)에 의해 수행된다. 또한, 콘덕터(106)는 제어 입력으로서 장방형 양방향성 스위치의 제4 소자(108)에 접속되고, 스위치 소자(108)의 입력은 콘덕터(76과 100)를 경유하여 포토센서 어레이(50)으로부터 입력된다. 스위치(108)의 출력은 분기점(112)에 제공되고, 캐패시터(114)는 이 분기점과 접지 사이에 접속된다.
스위치 소자(78,108 및 98)와 그들 각각의 캐패시터(84,114 및 104)는 샘플·홀드 회로를 구성한다. 즉, 스위치 소자들이 턴온되면, 그들 각각의 입력에 나타나는 전압은 순간적으로 각각의 캐패시터에 저장된다.
캐패시터(84)의 전압은 저항기(86)와 콘덕터(116)를 경유하여 차동 합 회로(118)의 반전 입력에 인가된다. 마찬가지로, 캐패시터(114)의 전압은 저항기(120)를 경유하여 증폭기(118)의 비반전 입력에 인가된다. 피드백 소자(122와 124)로 인해 연산 증폭기(118)가 차동 합산 회로망으로 작동함에 따라, 분기점(126)에 나타나는 출력은 입력의 분기점(82와 112)에 인가되는 2개의 전압 신호의 전압차에 비례한다.
합산 증폭기의 출력은 캐패시터(128)와 저항기(130)을 경유하여 고이득 연산 증폭기(132)와, 저항기(134와 136)으로 구성된 피드백 회로망을 포함하는 대역 필터에 AC 결합되고, 이 저항기(134와 136)은 출력 단자(138)과 입력 단자(140)사이에 직렬 접속된다. 저항기(134와 136)들 사이의 공통 분기점(142)은 캐패시터(144)와 저항기(146)의 직렬 접속부를 통해 접지에 결합된다. 소자 값은 약 1/2Hz와 25Hz 사이의 약 30dB의 이득을 제공하는 통과 대역을 제공하도록 선택된다. 이러한 방식으로, 전력선으로부터의 60Hz의 노이즈, 형광 불빛 등은 제거된다. 차량이 태양 광선 방향으로 향할 때 발생될 수 있는 주변 광선의 저주파 변환은 대역 필터의 저단부에서 제거된다.
분기점(138)에 나타나는 이득/대역 필터단의 출력은 제1비교기(148)의 반전 입력에 제공되고 제2비교기(150)의 비반전 입력에도 제공된다. 증폭기(148)의 제2입력은 기준 전위(Vcc1)에 접속되고 증폭기(150)의 제2입력은 고정 전압(Vref)에 접속된다. 따라서, 당업자라면 비교기(148과 150)이 윈도우 비교기로서 구성되어 분기점(138)의 신호가 어느 한 쪽 방향의 Vcc1과 Vref 사이 범위의 바깥으로 떨어질 때 2진 출력 레벨 시프트를 발생한다는 것을 알고 있다. 단자(152)의 출력은 마이크로콘트롤러(90)로 입력된다.
스위치(98)의 턴온에 이은 캐패시터(104)의 전압은 절선 박스(154)에 둘러싸인 광선 감지 검출 회로에 인가된다. 특히, 분기점(102)의 출력은 캐패시터(156)와 저항기(158)를 경유하여 연산 증폭기(162)와 관련된 피드백 저항기(164와 166)과, 저항기(168)와 캐패시터(170)를 포함하는 션트(shunt)성분을 포함하는 증폭기/대역 필터 회로의 입력인 분기점(160)에 AC 결합된다.
광선 감지 검출 회로(154)의 하부 차단 주파수는 바람직하게 약 1/3Hz이고 상부 차단 주파수는 약 30Hz이다. 이와 같이, 광선 감지 검출 회로의 주파수 범위는 비 감지 검출 회로의 주파수 범위보다 약간 넓다. 따라서, 광선 감지 검출 회로는 주변 광선 레벨, 또는 비 감지 회로를 풀링(fooling) (또는 트리거링)시키는 전위를 가질 수 있는 전자기 장애 변동을 감지할 것이다.
또한, 분기점(172)에서의 출력은 한 쌍의 비교기(174와 176) 각각의 입력에 제공되는데, 이 비교기들은 윈도우 비교기(148 내지 150)와 동일한 전압 임계치를 갖는 윈도우 비교기로서 기능하도록 구성된다. 또한, 분기점(178)의 2진 펄스 출력 신호는 입력 신호로서 마이크로콘트롤러(90)에 공급된다.
자동 세기 제어 회로(96)는 비반전 입력이 샘플·홀드 회로의 출력에 결합되는 연산 증폭기(180)를 포함하고, 이 샘플·홀드 회로는 장방형 양방향성 스위치소자(92), 저항기(182) 및 캐패시터(184)를 포함한다. 증폭기(180)의 출력은 저항기(186)를 통해 분기점(188)에 공급되어 다른 저항기(190)를 통해 분기점(192)에 공급된다. 캐패시터(194)는 분기점(192)을 접지에 결합시키고 콘덕터(196)는 분기점(192)을 발광 다이오드(23)의 캐소드에 접속시킨다. 또한, 세기 제어 증폭기(180)는 분기점(188)과 접지 사이에 직렬로 접속된 피드백 저항기(198과 200)과 관련되어 있다. 저항기(198과 200) 사이의 공통 지점은 증폭기(180)의 반전 입력에 접속된다. 포토 트랜지스터(50)로 되돌아 오는 신호의 세기는 비 감지 간격동안 측정 저항기(R)를 통해 흐르는 전류에 비례한다. 따라서, 전압은 수신된 신호에 비례하는 저항기(193) 양단에 발생한다. 이 전압은 비 감지 간격중에 능동 스위치(92), 저항기(192) 및 캐패시터(184)에 의해 샘플링 및 홀딩 된다. 자동 조정 회로(96)는 LED 전류를 적절하게 조정하여 수신된 신호가 거의 일정한 레벨에서 홀드되도록 한다. 따라서, 시스템은 거의 일정한 신호대 노이즈비로 작동한다.
발광 다이오드 복사 에너지원(23)의 애노드(anodes)는 에미터가 접지에 결합되고 베이스 전극이 마이크로콘트롤러(90)로부터 펄스형 제어 신호를 수신하도록 조절되는 NPN 트랜지스터(202)를 포함하는 반도체 스위칭 회로에 공통으로 접속된다. 콜렉터는 저항기(204)를 통해 기준 전압원(Vcc1)에 결합되고, 출력이 저항기(208)를 통해 LED(23)들의 애노드들에 결합되는 MOSFET 스위치(206)를 구동시킨다. 저항기(210), 캐패시터(212) 및 다이오드(214)는 스너버(snubber)로서 작동한다. 따라서, 마이크로콘트롤러(90)의 커맨드(command)에 따라 LED(23)는 비 감지 간격으로 불리는 시간 주기 동안 턴온될 것이다. LED의 조명 레벨은 피드백 회로(96)에 의해 결정된다
특히, 세기 제어 회로를 사용함으로써 표준 제조 규격의 유니트가 각종 윈드실드 즉, 상이한 투광 특성의 윈드실드상에 장착될 수 있게 한다. 따라서, LED 복사 에너지원의 휘도는 자동 조정된다
제한할 의도없이, 마이크로콘트롤러(90)는 시그네틱스(Signetics)사에서 제조한 Type S87C751 마이크로프로세서를 포함하고, 또한 핀(10과 11)상에 규칙적으로 발생하는 클럭 펄스를 제공하는 수정 제어 발진기(216)를 포함한다. 핀(9)의 접속부는 파워 업 리셋트 특징을 제공한다. 윈도우 비교기(174/176)의 LIGHT-SENSE 입력(LS)는 핀(5)에 제공된다. 핀(1 내지 4)는 수동으로 조작할 수 있는 딥 스위치(218)에 접속되고, 본 발명이 사용하는 특정한 윈드실드 와이퍼 시스템을 식별하기 위해 마이크로프로세서에 입력을 제공하는데 사용된다. 본 발명이 자동차에 사용된다고 간주하면, 딥 스위치(218)는 16가지 상이한 유형의 자동차가 마이크로프로세서에 식별될 수 있게 한다.
핀(13과 14)은 광선 게이트 제어를 장방형 양방향성 스위치(98 및 108)의 단자(106)에 각각 제공한다. 비 게이트 제어 출력은 마이크로콘트롤러의 핀(14)상에서 발생되어 장방형 양방향성 스위치(78과 92)와 관련된 제어 단자(88)에 제공된다. 핀(15)에는 LED ON 신호가 발생되어 트랜지스터(202)에 제공된다. 마이크로콘트롤러(90)의 핀(16,17 및 18)은 입력 단자이고 본 발명의 시스템이 사용되는 차량으로부터 논리 입력을 수신한다. 차량으로부터의 논리 입력으로 인해 운전자는 자동 와이퍼 제어를 무시하고 끊임없이 와이퍼를 턴온 또는 턴오프시킨다. 즉, 자동차 세척시에 이러한 것이 사용될 수 있다. 마이크로콘트롤러의 일부분에 소정의 논리 라인 및 소정의 보간이 필요한 이유는 상이한 유형의 차량이 와이퍼 스위치의 영역내에서 상이하게 배선되기 때문이다.
핀(19,20 및 21)은 출력을 와이퍼 모터 릴레이에 제공하고, 이는 와이퍼를 차단 및 정지시키고, 와이퍼를 고속 및 저속으로 각각 작동하기 위한 커맨드일 수 있다. 핀(23)은 윈도우 비교기의 단자(152)로부터 RAIN SENSE 신호를 수신하기 위한 입력이다.
이제, 제어 회로의 구조를 상세하게 설명할 것이며, 동작 모드를 고려하며, 제8도에 도시된 파형을 참조할 것이다.
[동작]
포토센서(52 내지62)는 윈드실드 내측면에 장착된 블럭(12)내에 대칭 어레이로 배치되고, (LED 광선과 구별되는) 주변 광선이 균등하게 윈드실드상에 분포되면, 라인(76)상의 출력 전압은 저항기(68과 74)들이 등가이고 사용된 다수의 포토센서의 정합된 특성으로 인하여 Vcc1과 접지 사이의 거의 중간 정도가 될 것이다.
마이크로콘트롤러(90)는 주기적으로 트랜지스터(202)를 펄스시킴으로써 LED(23)의 어레이를 턴온시키고, 윈드실드상에 수분이 없으면 모든 포토트랜지스터는 똑같이 작용되며, LED(23)가 마이크로콘트롤러(90)의 핀(15)에서 발생된 구동 펄스의 단부에서 다시 턴오프될 때 까지 라인(76)상의 전압은 강하된다. LED(23)가 온일때의 주기를 비 감지 간격이라 하고 오프일 때의 주기를 광선 감지 간격이라 한다. 제한할 의도없이, 비 감지 간격은 30㎲ 이고 광선 감지 간격은 2ms이다. 제8도에서, 물방울이 감지 블럭(12)에 의해 점유된 면적의 윈드실드상에 부딪친다고 가정하면, 센서 출력으로 표시된 파형이 콘덕터(76)상의 전압을 포함한다. 비 감지 간격동안 물방울이 윈드실드상에 부딪치지 않으면, 그 시간에 펄스 유사 회유는 없다. 이것은 LED(23)를 턴온 시키는 것이 포토 검출기(52 내지 62) 각각에 사실상 동일하게 영향을 미치고, 라인(76)상의 출력 전압이 Vcc1과 접지 사이의 중점을 벗어날 경향이 없을 것이기 때문이다. 그러나, 빗방울이 존재하면, LED(23)의 광선은 굴절로 인해 산란되어 관련 포토 검출기에 동일하게 영향을 미치지 않는다. 따라서, 센서 출력 라인(76)상의 펄스 유사 회유는 1개 또는 그 이상의 포토 트랜지스터(52,56 ......60) 또는 포토 트랜지스터(54,58 ...... 62)인지에 따라 포지티브성 회유 또는 네가티브성 회유일 수 있으며, 이것은 수분에 의한 복사 에너지원으로부터의 광선의 굴절로 인해 차단된 상기 포토 트랜지스터들의 광선을 포함한다.
비 감지 스위치로 표시된 파형은 마이크로콘트롤러에 의해 비 게이트 펄스를 단자(88)에 공급함으로써 장방형 양방향성 스위치(78)의 온 및 오프 상태를 나타낸다. 마찬가지로, 광선 감지 스위치로 표시된 파형은 장방형 양방향성 스위치 소자(108)의 온 및 오프 상태를 나타낸다. 이것은 비 감지 간격중이 아니라 광선 감지 간격중에 온 상태이거나 전도된다.
제8도에서 VRAIN및 VLIGHT로 표시된 파형은 스위치 소자(78과 108)를 턴온시킨 결과로서 캐패시터(84와 114)에 의해 홀드된 전압을 나타낸다. VDIFF로 표시된 파형은 차동 증폭기(118)의 출력 즉, 분기점(126)에서의 전압을 나타낸다. 비 감지 간격동안 비가 존재하지 않으면 VDIFF는 일정하게 유지된다는 사실에 주목한다. 그러나, 빗방울이 비 감지 간격중에 센서의 영역내에 존재하면, VRAIN은 포토센서가 LED 방출에 의해 똑같이 영향받지 않는다는 사실 때문에 회유를 나타낸다. 이제 VRAIN및 VLIGHT가 차동 증폭기(118)에 인가되면, VDIFF는 검출 가능한 회유를 나타낸다. 이 신호는 캐패시터(128)와 저항기(130)를 경유하여 대역 필터의 일부분을 형성하는 고이득 증폭기(132)에 AC 결합된다. 증폭된 신호가 비교기(148과 150)의 Vcc1과 VREF에 의해 설정된 경계 밖으로 떨어지면, 펄스는 마이크로콘트롤러(90)의 입력 핀(23)에 제공된다.
주변 광선 변화가 서로 밀접하게 이격된 시간 방식인 비 감지 간격 및 광선 감지 간격동안 똑같이 라인(76)상의 센서 출력 전압에 영향을 끼치기 때문에, 이러한 주변 광선 변화는 사실상 차동 합산에 의해 무산된다.
마이크로프로세서로부터의 제어 라인(106)에 제공되는 광선 게이트 신호는 또한, 스위치(98)가 광선 감지 간격동안 턴온되도록 하며, 이 시점에서 분기점(66)의 전압은 포착되어 캐패시터(104)상에 홀드된다. 그림자, 태양이 비치는 곳으로 들어가거나, 터널에 들어가거나 빠져나가는 경우 등에 의해서 발생될 수 있는 것과 같이, 센서 어레이가 주변 광선내에서 중요한 변화가 있을 경우, 분기점(66)의 전압은 매우 의미있게 시프트된다. 이러한 전이는 연산 증폭기(162)를 포함하는 대역 필터/증폭기 단에 AC 결합되고, 분기점(172)에 나타나는 전압 시프트는 비교기(174 와 176)에 인가되는 기준 전압에 의해 설정된 한계 밖으로 떨어지면, 단자(178)에 나타난 신호(LS)는 핀(5)상의 마이크로콘트롤러(90)에 제공된다.
마이크로콘트롤러는 비 제어 발진기로서 가능하도록 프로그램된다. 이것은 와이퍼 모터 릴레이를 구동시키므로써 블레이드의 와이퍼 비율이 비의 세기에 비례한다. 마이크로프로세서에 대한 각 비 감지 펄스로 인해 블레이드의 연속적인 와이프들 간의 지연 시간이 감소된다. 와이핑 비율은 증가하고, 특정 주파수에 도달하면 저속 모드로 전환된다. 비 감지 사건의 주파수가 계속 증가하면, 마이크로콘트롤러는 와이퍼 모터를 고속 모드로 전환시키는 신호를 출력한다. 비의 세기가 약해지면, 마이크로콘트롤러는 계속 와이프 커맨드를 발생하지만 점근적인 동작 개시율보다 시상수 또는 선형 감쇠율이 시간적으로 점점 더 길어진다. 예를 들면, 연속적인 비 감지 사건 사이에 1분이 경과하면 와이퍼 블레이드는 파킹(parking)된다.
분기점(178)에서 광선 감지 사건의 발생은 사전 선정된 시간 간격 예를 들면, 160ms 동안에 발생하는 이전의 비 감지 사건과 함께 현재 비 감지 정보를 제거시킨다. 이러한 방식에서, LS 출력으로서 윈도우 비교기를 통과하는 경우, 윈드실드에 부딪치는 주변 광선내의 큰 과도 변화(transient change)로 인해 마이크로프로세서는 LS 출력시에 시간적으로 인접하여 발생하는 비 감지 사건을 무시한다.
[다른 실시예]
본 발명의 제1실시예를 제2a도 및 제2b도를 참조하여 기술했으므로, 이제, 그 차이가 제3도의 전기 개락도에 의해 도시되는 밀접하게 관련된 실시예를 고려할 것이다. 대체로, 제2도 및 제3도의 두 실시예는 제1도의 블럭도에 도시된 비 응답 윈드실드 와이퍼 제어 시스템의 일반적인 블럭도와 어울린다.
제3도에 도시된 실시예에 있어서, 상이한 마이크로프로세서 칩(350)이 사용된다. 시그네틱스사의 Type S87C751을 이용하는 것보다는 시그네틱스사의 Type S87C752가 사용될 수 있다. 이것은 내장 ADC를 포함한다는 점에서 제2a도 및 제2b도의 실시예에서 도시된 마이크로프로세서와 상이하므로 디지탈 입력을 발생하는 윈도우 비교기(148, 150 및 174, 176)가 필요없다. 마이크로프로세서(350)는 아날로그 비 감지 신호와 아날로그 광선 감지 신호를 디지탈 형태로 변환한 다음에, 피연산자는 윈도우 비교 기능을 수행하도록 소프트웨어에 의해 조작된다.
계속해서 제2b도 및 제3도를 참조하면, 제2b도의 분기점(140)의 좌측 회로는 제3도의 번호(352)로 표시된 대역 필터로 대체된다. 이것은 캐패시터(356), 연산 증폭기 출력 단자(362) 그리고, 반전 입력 단자(364) 사이의 캐패시터와 병렬로 접속된 한 쌍의 직렬 접속 저항기(358과 360)로 된 피드백 루프를 가지는 연산 증폭기(354)를 포함한다. 션트 저항기(366)는 저항기(358과 360)의 공통점 사이에 접속되고, 저지 캐패시터(368)를 통해 DC 전압원에 이른다. 또한, 저항(370)은 DC 기준 전압을 연산 증폭기(354)의 비반전 입력에 결합시킨다.
방금 기술된 대역 필터(352)에 대한 피드백 소자의 성분 값은 약 1Hz의 하부 주파수와 약 20Hz의 상부 주파수 사이의 통과 대역을 제공하도록 설정된다. 이러한 필터는 성분, DC 레벨 시프트 등의 에이징(aging)으로 인한 장기간의 시프트를 제거하는데 효과적이다. 상부 차단 주파수는 충분히 낮아서 형광 불빛에 의해 발생될 수 있는 60 사이클의 노이즈를 효과적으로 배제할 수 있다. 상부 차단은 또한, 형광 불빛에 의해 생성될 수 있는 EMI 효과를 효과적으로 배제할 수 있다. 그러나, 필터(352)의 통과 대역은 충분히 넓어서 차량의 윈드실드상의 빗방울 충격을 수용할 수 있다. 제3도에 도시된 바와 같이, 단자(372)의 비 감지 출력은 마이크로프로세서(350)의 비 감지 입력에 접속된다.
동일한 방식으로, 제2b도의 점선 박스(154)에 도시된 회로는 다른 실시예에서 고이득 증폭기단(376)과 대역 필터 단(378)로 대체된다. 대역 필터는, 피드백 캐패시터 및 병렬 저항기의 성분 값이 필터(378)에 대하여 다수 넓은 통과 대역을 제공하도록 선택되는 것을 제외하고는 대역 필터(352)의 구조와 사실상 동일하다. 예를 들면, 성분 값은 약 0.5Hz의 하부 주파수 차단 및 약 60Hz의 상부 주파수 차단을 제공하도록 선택될 수 있다. 대역 필터의 최종 출력은 마이크로프로세서(350)의 입력(380)에 제공되는 광선 감지신호이다.
도시된 바와 같은 통과 대역을 제공함으로써, 차량이 그늘에서 밝은 태양 빛으로 이동할 때 발생할 수 있는 장기 시상수의 광선 변화는 억제된다. 더욱이, 필터(378)의 통과 대역은, 비 감지 채널보다 광선 감지 채널이 EMI에 더 민감한 것이 바람직하기 때문에 필터(352)의 통과 대역보다 상단부에서 더 넓게 된다.
또한, 마이크로프로세서(350)의 소프트웨어로 구현된 알고리즘을 의도적 재트리거링 특성이라 한다. 이러한 알고리즘의 중요성을 이해하기 위해, 센서 하우징(10)에 마주 대하는 전체 윈드실드의 면적은 겨우 12(cm2)일 수 있다. 이로 인해 큰 빗방울이, 센서 모듈에 의해 덮혀진 면적을 벗어나는 동안에 윈드실드상에 가끔 부딪칠 수 있고 시야를 방해할 수 있다. 추가적인 LED 및 포토 검출기가 시스템의 비용 및 복잡성에 부가되기 때문에, 사실상 단지 센서의 크기를 증가시킴으로써 이러한 문제점을 해결할 수는 없다. 윈드실드상에 부딪치는 비는 매우 임의적인 현상이고, 센서 면적이 부딪치지 않으므로 때문에 와이퍼 동작의 초기화에 실패하는 문제점은 미합중국 특허 제4,620,141호 및 제4,867,561호에 개시된 바와 같이 평활 알고리즘을 사용함으로써 어느 정도 감소될 수 있다. 이러한 평활 알고리즘은 감지된 비 사건의 주파수의 히스토리(history)에 근거하여 물방울을 깨끗히 하도록 윈드실드를 와이핑할 수 있다. 평활 알고리즘을 사용함으로써, 제어 회로는 실제로 비 사건을 감지하지 않고도 히스토리에 근거하여 와이퍼 모터를 작동시킬 수 있다. 이것은 윈드실드를 통한 시야가 센서 면적이 빗방울에 의해 부딪치기 전에 흐려지는 것을 방지하지만, 종래 평활 알고리즘의 긴 시상수로 인해 종래 시스템이 비의 세기 변화에 느리게 응답하는 경향이 있다.
큰 빗방울이 가끔 발생하는 경우에 있어서, 센서가 대응하는 윈드실드 표면상의 물방울을 실제로 검출하기 전에 물방울이 시야를 방해할 수 있다. 만약 시스템이 동작하고 시야를 방해하기에 충분한 물방울이 윈드 실드상에 부딪치지만 우연히 센서의 면적에 아무것도 부딪치지 않는 덜해진 비의 상태가 된다고 가정하면, 평활 알고리즘을 사용할 때, 와이퍼는 감지된 비 사건의 종래 히스토리에 근거하여 10초 간격 동안 스위핑될 수 있다. 고려될 수 있는 실 예에서, 센서가 와이핑 사이에 추가적인 비를 검출할 수 없다면, 평활 알고리즘만이 비 세기의 추정치를 정상적으로 감소시킬 수 있고 와이핑 사이의 다음 간격이 말하자면 15초 더 길어져야 한다는 것을 결정한다. 이 상태가 지속되면, 와이핑 사이의 간격은 평활 알고리즘이 와이퍼가 파킹되어야 한다고 결정할 때까지 점점 길어진다.
본 발명의 의도적 재트리거 알고리즘은 이러한 것이 발생하지 못하도록 한다. 비가 계속 온다고 가정하면, 윈드실드는 센서를 벗어나지만 여전히 시야를 가리는 연속적인 와이핑들 사이의 물방울을 수집한다. 와이퍼 스트로크(wiper stroke)동안, 와이퍼 블레이드는 경로상의 물방울을 모아서 이 물을 센서상에 보낸다. 본 발명의 회로는 비 사건으로서 이 물을 검출하여 스위핑 비율을 적절히 조정한다. 따라서, 상기 예에서, 와이핑 사이의 제1의 10초 간격 후에 센서상에 보내진 물을 재트리거링하는 동작은 마이크로프로세서가 와이핑 사이의 간격을 다시 한번 약 10초가 되도록 조정하게 한다. 제7도는 이러한 상황을 도시한다. 곡선(382 및 384)과 직선(386 및 388)에 의해 경계 지워진 면적은 물방울(392)이 수집되고 센서 하우징(10)에 의해 점유된 면적(394) 위에서 스위핑되는 와이퍼 블레이드(390)에 의해 스위핑되는 면적을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 윈드실드에 부딪치는 강수량은 비교적 일정한 경우, 와이퍼 블레이드의 스위핑 사이의 간격은 물방울이 센서 면적을 모두 벗어나더라도 거의 일정하게 유지된다. 강수량이 감소하면, 센서상을 통과하는 와이퍼가 알로리즘을 재트리거하는 정도는 감소될 것이다. 따라서, 알고리즘은 스위핑 사이에 더 긴 시간을 요구한다. 윈드실드가 건조해지는 시점에서, 의도적 재트리거 동작은 중지되고 윈드실드 와이퍼는 파킹될 것이다. 결과적으로, 일단 와이퍼 제어 시스템이 동작되도록 설정되면, 시스템은 비교적 작은 센서 면적을 여전히 보유하는 동안 와이퍼에 의해 깨끗해진 윈드실드의 전체 표면적을 효율적으로 사용한다. 이로 인해, 윈드실드상의 능동 감지 면적만이 센서 자체에 의해 대응되면, 이전에는 불가능했던 평활하고 응답적인 와이퍼 시스템의 동작이 가능하다.
의도적 재트리거링 알고리즘의 성공적인 구현을 가능하게 하는 본 발명의 중요한 특징은 와이퍼 블레이드가 센서상으로 물을 밀어내는 시간 간격 동안에 비 감지 채널의 감도를 감소시키는 기술로 집약된다는 것이다. 다시 말하면, 윈도우 외부의 비사건이 증가됨에 따라 검출되도록 강하되어야 하는 증폭된 센서 신호를 정하는 임계치는 참조하면, 파형(396)은 와이퍼가 스위핑되는 간격(398)만을 제외하고 임계치가 낮아지는 것을 도시한다. 파형(400)은 와이퍼가 젖었을 때에 비 감지 증폭기 출력의 절대치를 도시하고 파형(402)은 윈드 실드와 와이퍼가 건조할 때에 비 감지 증폭기로부터의 전형적인 신호이다. 간격(398과 399)내의 증가된 감도 때문에, 비 감지 신호(400)만이 윈도우 임계치를 초과하여 검출된 비 사건(펄스)(400)을 발생시킨다. 출력 신호(402)의 진폭은 증가된 임계치를 초과하기에는 불충분하고, 센서 면적을 통과하는 건조된 와이퍼의 사건은 무시된다.
[광학적 수분 감지 와이퍼 제어 소프트웨어에 대한 설명]
전체적으로, 와이퍼 제어 시스템용 소프트웨어는 복잡한 윈도우 비교기 및 평활 알고리즘으로서 기능한다. 즉, 비 감지 라인내의 윈도우 외부 편이(대역 필터의 출력)을 필요로 한다. 소프트 웨어가 이러한 것을 비 사건으로 인식하기 전에 필요로 하는 편이의 크기는 다양한데, 이것은 와이퍼 동작과 동기화된다.
또한, 소프트웨어는 평활 알고리즘으로서 기능한다. 즉, 와이퍼는 각 비 사건에 따라 간단하게 작동하지 못한다. 오히려, 프로그램은 와이퍼 속도 또는 와이핑 사이의 간격을 평활하게 변경시키는데, 더구나 이것은 운전자에게 그리 매력적이지 못하다. 평활 알고리즘의 형태는 근본적으로 상당히 향상된 미합중국 특허 제4,620,141호의 소프트웨어적 실현이다.
이 프로그램은 정규 샘플 기초 상에서 실행하는 전면 루틴(foreground routine)과 비동기적으로 실행하는 후면 루틴(background routine)을 제어한다. 전면은 비 세기의 추정치를 유지할 수 있고, 후면은 와이퍼 모터를 적절하게 재작동 시킨다.
[프로그램 변수]
[전면 루틴]
전면 루틴은 제10도에 도시되고, 후면과는 본래 독립적으로 5 ms마다 실행하며, 비의 세기의 진행(ongoing) 추정치(RAIN)를 유지해야 한다. 동작 개시는 점근적이거나, 모든 샘플에 대한 진행하기 위한 거리 (distance to go)에 비례한다. 감쇠 특성은 선형 및 약간 점근적 계수이다. 이들 특성은 일정한 듀티 사이클(duty cycle)(즉, 비 사건의 존재 여부에 대한 비율)이 주어지더라도, RAIN에 대한 안정된 값을 발생하기 때문에, RAIN 추정치를 발생시키는데 바람직하다.
이해를 돕기 위한 상기 소프트웨어 설명에서 2개의 요소가 생략된다:
1) 블랭킹(blanking) 사건은 단안정 연장된다. 따라서, 소프트웨어가 블랭킹 사건을 검출하면, 유니트는 약 2초간 블랭크로 유지된다.
2) RAIN SENSE 신호는 소프트웨어로 구현된 시프트 레지스터에 의해 실제로 지연되고, 따라서 그것은 사실상 수십 ms 이전의 PAIN SENSE이다.
이들 2개 요소의 효과로 인해 블랭킹 사건은 실제 블랭킹 사건 이전에 약간 발생하는 비 사건을 삭제시킨다. 따라서, 블랭킹 사건은 조만간 방해받을 모든 비 사건을 삭제시킨다.
[후면 루틴]
제11도를 참조하면, 후면 프로그램 또는 루틴은 전면 루틴에 의해 일정하게 인터럽트되며, 와이퍼 모터의 적절한 동작을 발생시킨다. 이것은 RAIN에 전면 프로그램으로부터 비 세기에 관한 정보를 포함한다. 부수적으로, 후면 프로그램은 와이퍼 작동과 동기화된 감도 윈도우(SENS WIND)의 값을 수정한다. 이로 인해, 의도적 재트리거는 효과적인 센서 면적을 배가시킨다.
전체적으로, 후면 프로그램은 비 세기의 값(RAIN)에 거의 비례적인 비율로 와이퍼를 작동시킨다.
제11도의 플로우 챠트에는 사용자가 요청하는 속도, 오프, 또는 세척 등과 같은 수동 오버라이드(override)는 도시되지 않지만, 유니트는 이러한 요청을 해결할 수 있는 적절한 방식으로 릴레이를 작동시킨다.

Claims (15)

  1. 차량상의 디바이스를 동작시키기 위한 적어도 하나의 모터와 윈드실드(windshield)가 결합되어 있는 형태의 차량에서, 상기 윈드실드 외부면의 물방울 검출시 상기 모터를 자동적으로 작동시키는 상기 모터용 제어 회로에 있어서, (a) 상기 윈드실드 내부면에 고정되어 있으며, 복사 에너지원의 어레이와 상기 복사 에너지 센서의 어레이를 장착함으로써, 물방울이 상기 하우징에 의해 점유된 상기 윈드실드 부분에 존재하지 않을 때, 상기 복사 에너지원에 의해 방출된 복사 에너지가 상기 윈드실드의 외부면의 평면으로 향하고 다시 복사 에너지 센서의 어레이로 수직 방향으로 향할 수 있는 수단을 갖는 하우징과; (b) 상기 복사 에너지원이 온일 때의 간격이 비 감지 간격을 정의하고, 상기 복사 에너지원이 오프일 때의 간격이 주변 광선 감지 간격을 정의하는, 선정된 듀티 사이클(duty cycle)의 펄스로 상기 복사 에너지원을 주기적으로 에너자이징(energizing)하는 구동 수단과; (c) 상기 비 감지 간격 동안 상기 복사 에너지 센서의 출력을 샘플링 및 홀딩하는 제1수단과; (d) 상기 주변 광선 감지 간격 동안 상기 복사 에너지 센서의 출력을 샘플링 및 홀딩하는 제2수단과 - 상기 제1 및 제2수단에 의한 상기 샘플링은 상기 윈드실드 상에 부딪치는 주변 광선의 변화에 필요한 시간 보다 상당히 적은 시간 간격내에 연속적으로 발생함 -; (e) 상기 제1 및 제2수단에 의해 행해지는 연속적인 샘플에서의 주변 광선의 외란으로 인한 상기 센서 출력내의 신호 성분을 선형적으로 제거하여 상기 윈드실드상의 물방울의 감지로 인한 신호 성분만을 남기는 수단과; (f) 상기 물방울의 감지로 인한 신호 성분에 응답하여 상기 모터를 작동시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 디바이스는 윈드실드 와이퍼인 것을 특징으로 하는 제어회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 디바이스는 윈도우인 것을 특징으로 하는 제어 회로.
  4. 제1항에 있어서, 상기 디바이스는 신축성 있는 지붕 부재인 것을 특징으로 하는 제어회로.
  5. 제2항에 있어서, 상기 모터 작동 수단은, 상기 윈드실드상의 상기 물방울의 감지로 인한 신호 성분을 수신하도록 결합되어 있으며 상기 물방울의 감지로 인한 신호 성분이 연속사이클에서 생성되는 비율과 비례하는 비율로 상기 모터를 구동시키는 비(rain), 제어 발진기 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 회로.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2수단 및 상기 신호 성분 선형적 제거 수단은 시간이 스프트된 신형 차동 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 회로.
  7. 제5항에 있어서, 상기 비 제어 발진기 수단은 프로그램된 마이크로프로세서인 것을 특징으로 하는 제어 회로.
  8. 제어 회로에 있어서, (a) 투명한 표면상의 물방울의 축적을 검출하며, 수분의 존재로 인한 성분과 광학 센서 수단에 도달한 주변 광선의 변화로 인한 성분을 갖는 합성 전기 신호를 발생하고, 주변 광선의 변화로 인한 성분을 갖는 출력 신호를 발생하는 상기 광학센서 수단과, (b) 상기 두 성분이 존재하는 제1 간격에서 상기 합성 전기 신호를 샘플링하는 수단과: (c) 상기 주변 광선의 변화로 인한 성분만이 존재하는 제2간격에서 상기 광학 센서로부터의 출력 신호를 샘플링하는 수단과 - 상기 제1 및 제2 간격은 시간이 서로 인접함 -; (d) 상기 제1 및 제2간격 동안 취득된 상기 신호들의 선형 차동 합을 형성하기 위한 차동 증폭기 수단과; (e) 상기 차동 중폭기 수단의 출력이 선정된 임계치를 초과하는지의 여부를 판정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 회로.
  9. 윈드실드와 모터 구동 윈드실드 와이퍼가 결합된 형태의 자동차에서, 상기 윈드실드 외부면 상의 물방울 검출시 상기 모터 구동 윈드실드 와이퍼의 모터를 자동적으로 작동시키기 위한 개량된 윈드실드 와이퍼 모터 제어기에 있어서, (a) 상기 윈드실드 내부면에 고정되어 있으며, 세로축이 상기 윈드실드 외부면의 지점에서 상기 윈드실드 평면과 예각으로 교차하는 제1 및 제2의 다수의 보어(bores)를 포함하는 불투명 하우징과 - 상기 제1의 다수의 보어는 개별적인 복사 에너지원을 포함하며, 상기 제2의 다수의 보어는 개별적인 복사 에너지 센서를 포함하고, 상기 개별적인 복사 에너지원이 상기 개별적인 복사 에너지 센서와 관련됨 -; (b) 상기 복사 에너지원이 온일 때의 간격이 비 감지 간격을 정의하고, 상기 복사 에너지원이 오프일 때의 간격이 주변 광선 감지 간격을 정의하는 선정된 듀티 사이클의 펄스로 상기 복사 에너지원을 주기적으로 에너자이징하는 구동기 수단과; (c) 상기 비 감지 간격 동안 상기 복사 에너지 센서의 전압 출력을 샘플링 및 홀딩하는 제1수단과; (d) 상기 광선 감지 간격 동안 상기 복사 에너지 센서의 전압 출력을 샘플링 및 홀딩하는 제2수단과; (e) 상기 샘플링 및 홀딩하기 위한 제1 및 제2수단으로부터의 출력을 수신하도록 결합되며, 상기 제1 및 제2수단에 의해 샘플링 및 홀딩된 상기 전압 출력들 사이의 차에 비례하는 출력 전압 Vdiff를 제공하는 차동 합산 수단과; (f) 상기 전압 Vdiff를 수신하도록 결합되어 있으며 상기 Vdiff 전압의 진폭이 선정된 범위의 진폭 외에 있을 때를 신호화하기 위한 제1윈도우 비교기 수단과; (g) 상기 윈도우 비교기로부터 출력된 신호를 수신하도록 결합되어 있으며, 상기 Vdiff 신호가 연속된 비 감지 간격 동안 상기 진폭 범위 외에 있을 때의 빈도에 비례하는 비율로 상기 윈드실드 와이퍼 모터를 구동하기 위한 비 제어 발전기 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 복사 에너지원에 결합되어 있으며 상기 하우징이 고정되어 있는 윈드실드 유리의 투광도에 따라 상기 복사 에너지원에 의해 방출된 복사 에너지의 강도를 조절하기 위한 강도 감지 및 피드백 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 비 제어 발진기는 상기 제1윈도우 비교기 수단으로부터 상기 신호 출력을 수신하는 비율에 응답하여 상기 수신율과 관련하여 윈드실드 와이퍼 제어 신호를 발생하는 마이크로콘트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 마이크로콘트롤러는 상기 구동기 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 제어기.
  13. 제11항에 있어서, 상기 마이크로콘트롤러는 샘플링 및 홀딩하기 위한 상기 제1 및 제2수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 제어기.
  14. 제11항에 있어서, (a) 상기 다수의 센서상의 과도 주변 광선의 변화로 인한 상기 센서 전압 레벨의 시프트를 검출하기 위해 상기 주변 광선의 감지 간격 동안 동시에 센서 전압 레벨을 샘플링 및 홀딩하기 위한 제3수단과; (b) 상기 센서 전압 레벨의 시프트가 상한 또는 하한을 초과하는 지의 여부를 판정하고 경계를 벗어난(out-of-bounds) 상태를 나타내는 2진 신호를 발생하기 위한 제2 윈도우 비교기 수단과; (c) 상기 윈드실드 와이퍼 모터가 상기 제2윈도우 비교기 수단에 의해 상기 2진 신호의 발생에 이은 선정된 시간 간격 동안 구동되는 비율이 상기 제1윈도우 비교기 수단으로부터의 상기 신호 출력에 의해 변경되지 못하도록 하기 위해 상기 2진 신호를 상기 마이크로콘트롤러에 제공하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어기.
  15. 제11항에 있어서, (a) 상기 다수의 센서상의 과도전자기 간섭으로 인한 상기 센서전압 레벨의 시프트를 검출하기 위해 상기 주변 광선 감지 간격 동안 동시에 센서 전압 레벨을 샘플링 및 홀딩하기 위한 제3수단과; (b) 상기 센서 전압 레벨의 시프트가 상한 또는 하한을 초과하는 지의 여부를 판정하고 경계를 벗어난(out-of-bounds) 상태를 나타내는 2진 신호를 발생하기 위한 제2윈도우 비교기 수단과; (c) 상기 윈드실드 와이퍼 모터가 상기 제2윈도우 비교기 수단에 의해 상기 2진 신호의 발생에 이은 선정된 시간 간격 동안 구동되는 비율이 상기 제1윈도우 비교기 수단으로부터의 상기 신호 출력에 의해 변경되지 못하도록 하기 위해 상기 2진 신호를 상기 마이크로콘트롤러에 제공하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어기.
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