KR101725157B1 - 정전용량센서를 이용한 도전물질감지장치 - Google Patents

Abstract

열 방향으로 연장된 구동전극; 상기 구동전극에 구동신호를 제공하는 구동파형 입력부; 상기 열 방향을 따라 상기 구동전극과 용량결합되도록 배치된 복수 개의 감지전극; 및 상기 복수 개의 감지전극에 결합되어 상기 감지전극 근처에 도전물질이 존재하는지 여부를 감지하는 감지회로부를 포함하는 단위감지부를 포함하는 도전물질감지장치를 공개한다. 이때, 독립적인 복수 개의 상기 단위감지부가 행 방향을 따라 나란히 배치되어 있으며, 동일한 행에 배치된 복수 개의 감지전극으로부터 검출된 정보의 대푯값을 이용하여 상기 행에 존재하는 위치에 도전물질이 존재하는지를 판단하도록 되어 있다.

Description

정전용량센서를 이용한 도전물질감지장치{Conductive-Material detector using electric capacitive sensor}

본 발명은 도전물질을 감지하는 장치에 관한 것으로서, 특히 정전용량센서를 이용하여 제공되는 감지장치에 관한 기술에 관한 것이다.

정전용량센서는 전극에 의해 형성되는 전기용량 성분의 크기가 그 주변에 존재하는 도전물질에 의해 달라지는 현상을 이용함으로써 도전물질의 존재를 감지하는 데에 사용될 수 있다. 대표적인 예로서 전극에 형성되는 전기용량 성분의 크기를 측정할 수 있는 감지장치를 제공한 상태에서, 상기 전극에 사람의 손가락을 접촉시키거나 근접시키게 되면 상기 전극에 현성되는 전기용량 성분의 크기가 변화하게 된다. 이때, 상기 감지장치는 상기 변화하는 전기용량 성분의 크기를 측정함으로써 손가락에 의한 상기 전극의 터치 여부를 판별할 수 있다. 이러한 기술은 최근에 급격하게 성장하고 있는 시장을 갖는 스마트폰과 같은 포터블 사용자 장치에 다양한 방식으로 발전되어 적용되고 있다. 따라서 정전용량센서를 이용하여 사용자 기기의 사용자 입력을 받는 기술에 관한 특허들도 많이 공개되고 있다.

한편 본 발명은 이러한 정전용량센서를 이용하여 다양한 도전물질의 존재 및 그 존재 위치를 측정하기 위한 최적화된 기술을 제공하고자 개발되었다. 예컨대, 기존의 수위감지센서는, 부력을 이용하여 수위를 감지하는 기계식 방식과 정전용량센서를 이용하여 수위를 감지하는 전기식 방식으로 나누어 볼 수 있는데, 전자는 물리적인 부피를 많이 차지한다는 단점이 있으며, 후자는 특정 상황에서는 수위 측정에 오류가 발생한다는 단점이 있다.

본 발명에서는 새롭게 개발된 정전용량센서의 구조를 이용함으로써, 물, 유체, 뿐만 아니라 전도성을 갖는 각종 물질의 존재 여부 및 그 존재 위치를 정확하게 측정할 수 있는 도전물질감지장치를 제공한다.

도전물질의 존재 여부 및 그 존재 위치의 검출을 정전용량센서를 이용하여 수행하는 경우에 특정 상황에서는 기능 실패가 발생할 수 있다.

예컨대 기존에 공개된 정전용량센서를 이용하여 수위를 측정하는 일 기술에 따르면, 복수 개의 정전용량센서가 물통 외면에 수직 방향을 따라 배치되어 있으며, 특정 시점 전후 사이의 각 정전용량센서 출력 값의 차이를 관찰함으로써 상기 각 정전용량센서의 위치에서 상기 특정 시점에 수위가 변화하였는지를 판단하는 방식으로 동작한다. 이 때에 만일 물통 속에 어느 정도 이상 물이 차있는 상태에서 상기 정전용량센서를 이용한 수위감지장치가 리셋 된다면 통에 물이 어느 정도 차있는지를 알 수가 없거나 복잡한 판단 보정 알고리듬을 이용해야만 한다.

또 다른 예로, 본 발명의 발명자는 종래에 모바일 사용자 기기에서 사용되던 터치입력 감지패널을 그대로 사용하여 물통 속의 수위를 측정하는 데에 응용하여 보았으나 정확한 감지 결과를 얻는데 실패하였다. 즉, 기존에 많아야 10개의 손가락의 터치 위치를 감지하는 데에 최적화되었던 터치입력 감지패널을, 수위면 이하의 공간에는 항상 물이 존재하고 수위면 위의 공간에는 물이 존재하지 않는 물통에 단순 적용할 경우 예상과 달리 제대로 작동하지 않는다는 점을 발견하였다. 본 발명의 발명자는 이러한 이유에 대하여 분석함으로써 물통의 수위측정에 최적화되어 설계되는 수위감지장치의 구체적인 구조를 제시하고자 한다. 또한 본 발명의 이론적 배경을 확장하여 물 뿐만 아니라, 유체 또는 나아가 일반 도전물질에 대한 감지장치의 구체적인 구조를 제시하고자 한다.

본 발명의 일 관점에 따른 물질감지장치는, 열 방향으로 연장된 구동전극; 상기 구동전극에 구동신호를 제공하는 구동파형 입력부; 상기 열 방향을 따라 상기 구동전극과 용량결합되도록 배치된 복수 개의 감지전극; 및 상기 복수 개의 감지전극에 결합되어 상기 감지전극 근처에 물질이 존재하는지 여부를 감지하는 감지회로부를 포함하는 단위감지부를 포함하는 물질감지장치로서, 독립적인 복수 개의 상기 단위감지부가 행 방향을 따라 나란히 배치되어 있으며, 동일한 행에 배치된 복수 개의 감지전극으로부터 검출된 정보의 대푯값을 이용하여 상기 행에 존재하는 위치에 물질이 존재하는지를 판단하도록 되어 있을 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 관점에 따른 물질감지장치는, M*N 행렬형태로 배치된 복수 개의 감지전극; 열 방향을 따라 연장되어 있으며 각 열의 감지전극들과 용량결합되도록 배치되어 있는 N개의 구동전극; 상기 구동전극에 구동신호를 제공하는 구동파형 입력부; 및 상기 복수 개의 감지전극에 결합되어 상기 감지전극 근처에 물질이 존재하는지 여부를 감지하는 감지회로부를 포함하며, 동일한 행에 배치된 복수 개의 감지전극으로부터 검출된 정보의 대푯값을 이용하여 상기 행에 존재하는 위치에 물질이 존재하는지를 판단하도록 되어 있을 수 있다.

이때, 상기 물질은 도전성분을 갖는 물질일 수 있다.

이때, 상기 각 열은, 상기 물질과 상기 물질을 둘러싼 환경 사이의 경계면으로서, 상기 경계면에 존재하는 상기 물질의 위치가 병진하여 변경되는 상기 경계면에 평행으로 배치되어 있을 수 있다.

이때, 상기 물질은 물통에 들어 있는 물일 수 있다. 또는, 상기 물질은 유체를 담는 통에 들어 있는 유체일 수 있다. 또는, 상기 물질은 도전성분을 갖는 물체를 담는 통에 들어 있는 입상의 물체일 수 있다.

이때, 상기 물질감지장치는, 상기 구동전극과 상기 감지전극을 상기 물질로부터 절연하는 경계파트를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 경계파트는 상기 열 방향을 따라 연장되어 있으며, 가운데에 빈 공간을 가지며, 그 단면이 임의의 모양을 갖는 측벽부를 포함하며, 상기 구동전극은, 상기 구동전극의 연장방향이 상기 측벽부의 상기 연장방향과 나란히 되도록, 상기 측벽부의 내벽부에 배치되어 있을 수 있다.

본 발명에 따르면 물, 유체뿐만 아니라 일반 도전물질의 존재 여부 및 존재 위치를 검출할 수 있는 도전물질검출장치를 제공할 수 있다.

도 1a는 비교 실시예에 따른 도전물질감지장치의 구성을 나타낸다.
도 1b는 도 1a에 나타낸 도전물질감지장치를 개념적으로 재구성하여 나타낸 것이다.
도 2a는 도 1에 설명한 도전물질감지장치를 물통(100)의 외벽에 부착하여 사용하는 실시예를 나타낸다.
도 2b는 도 2a와 같이 물의 높이가 감지전극(43)과 감지전극(42) 사이에 존재하는 경우에 있어서 도전물질감지장치의 각 부분에서의 커패시턴스 변화를 나타낸다.
도 3a는 도 1에 설명한 도전물질감지장치를 물통(100)의 외벽에 부착하여 사용하는 실시예를 나타낸다.
도 3b는 도 3a와 같이 물의 높이가 감지전극(42)과 감지전극(41) 사이에 존재하는 경우에 있어서 도전물질감지장치의 각 부분에서의 커패시턴스 변화를 나타낸다.
도 4a는 도 1에 설명한 도전물질감지장치를 물통(100)의 외벽에 부착하여 사용하는 실시예를 나타낸다.
도 4b는 도 4a와 같이 물의 높이가 감지전극(41) 위에 존재하는 경우에 있어서 도전물질감지장치의 각 부분에서의 커패시턴스 변화를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도전물질감지장치의 구성을 나타낸 것이다.
도 6a는 도 2a와 마찬가지로 물의 높이가 감지전극(43)과 감지전극(42) 사이에 존재하는 경우에 있어서 도 5의 도전물질감지장치의 각 부분에서의 커패시턴스 변화를 나타낸다.
도 6b는 도 3a와 마찬가지로 물의 높이가 감지전극(42)과 감지전극(41) 사이에 존재하는 경우에 있어서 도 5의 도전물질감지장치의 각 부분에서의 커패시턴스 변화를 나타낸다.
도 6c는 도 4a와 마찬가지로 물의 높이가 감지전극(41)보다 위에 존재하는 경우에 있어서 도 5의 도전물질감지장치의 각 부분에서의 커패시턴스 변화를 나타낸다.
도 7은 도 5에 나타낸 도전물질감지장치를 물통(100)의 외벽에 장착한 경우의 개념도를 나타낸 것이다.
도 8은 도전물질감지장치와 측정대상물질의 상대적인 위치관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 관 내부에 존재하는 유체의 경계면의 위치를 측정하는 실시예를 나타낸 것이다.
도 10은 또 다른 비교 실시예에 따른 도전물질감지장치의 구성을 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 설명한다. 그러나 본 발명은 본 명세서에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며 여러 가지 다른 형태로 구현될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 실시예의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 의도된 것이 아니다. 또한, 이하에서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.

<비교 실시예>

도 1a는 비교 실시예에 따른 도전물질감지장치의 구성을 나타낸다. 이하, 도 1a를 참조하여 설명한다.

복수 개의 구동전극(31~33)은 각각 제1방향, 예컨대 수직방향으로 연장된 모양을 하고 있을 수 있다. 복수 개의 구동전극(31~33)은 제2방향, 예컨대 수평방향을 따라 차례대로 배치되어 있을 수 있다.

복수 개의 감지전극(41~43)은 각각 제3방향, 예컨대 수평방향으로 연장된 모양을 하고 있을 수 있다. 복수 개의 감지전극(41~43)은 제4방향, 예컨대 수직방향을 따라 차례대로 배치되어 있을 수 있다.

구동전극(31~33)과 감지전극(41~43)이 서로 교차하는 영역에서는 서로 교차하는 구동전극과 감지전극 간에 '상호 커패시턴스'가 형성될 수 있다. 상기 상호 커패시턴스의 크기는 상기 교차하는 영역의 넓이에 비례할 수 있다. 또한, 상기 상호 커패시턴스를 구성하는 전기 플럭스의 일부는 상기 교차하는 영역의 근처에 존재하는 도전물질에 의해 교란될 수 있다. 이렇게 근처의 도전물질에 의해 교란되는 상호 커패시턴스 성분을 본 명세서에서는 '상호 프린징 커패시턴스'라고 지칭할 수 있다. 주변 도전물질에 의해 교란되는 상호 프린징 커패시턴스에 의해 구동전극과 감지전극을 통해 흐르는 전류이 양이 변화할 수 있다.

한편, 구동전극(31~33)의 존재와 무관하게, 감지전극(41~43)만으로 '자기 커패시턴스'가 형성될 수 있다. 자기 커패시턴스는 감지전극(41~43) 근처에 도전물질이 존재하지 않는 경우에는 0의 값을 갖다가, 감지전극(41~43) 근처에 도전물질이 존재하는 경우에는 상기 도전물질과 감지전극(41~43) 사이에 전류 경로가 형성되면서 0보다 큰 값의 자기 커패시턴스가 발생될 수 있다. 상기 자기 커패시턴스의 값의 크기는, 상기 감지전극(41~43)과 상기 도전물질이 서로 근접해 있는 마주보는 영역의 넓이가 넓을수록 커질 수 있다.

상기 교차하는 영역의 근처에 도전물질이 존재하는 경우, 상호 커패시턴스의 값은 작아지지만 자기 커패시턴스의 값은 커질 수 있다는 점을 이해할 수 있다.

여기서 상기 제1방향과 상기 제4방향은 서로 같은 방향일 수 있다. 그리고 상기 제2방향과 상기 제3방향은 서로 같은 방향일 수 있다.

구동전극(31~33)과 감지전극(41~43)은 서로 절연되어 있을 수 있다. 각각의 구동전극(31~33)은 서로 절연되어 있을 수 있다. 각각의 감지전극(41~43)은 서로 절연되어 있을 수 있다.

각각의 구동전극(31~33)에는 구동파형을 입력하는 구동파형 입력부(11~13)가 연결되어 있을 수 있다. 구동파형 입력부(11~13) 중 어느 하나이 구동파형 입력부가, 예컨대 펄스 트레인 형태의 구동파형을 입력할 때에 다른 두 개의 구동파형 입력부는 미리 결정된 다른 상수의 전위를 제공할 수 있다.

각각의 감지전극(41~43)에는 감지센서(21~23)가 연결되어 있을 수 있다. 각각의 감지센서(21~23)는 예컨대 각 감지전극(41~43)을 통해 입출력되는 전류를 적분하는 기능을 수행하는 적분회로가 포함되어 있을 수 있다.

구동파형 입력부(11~13)와 감지센서(21~23)의 상호작용에 의하여 구동전극(31~33)과 감지전극(41~43)을 통해 전류가 흐르게 된다.

일단 감지전극(41~43)을 경유하여 전류가 흐르게 되면, 상술한 상호 커패시턴스와 자기 커패시턴스에 의해 시간에 따른 상기 전류의 특성이 달라질 수 있다.

도 1b는 도 1a에 나타낸 도전물질감지장치를 개념적으로 재구성하여 나타낸 것이다. 도 1b에서 도 1a와 동일한 참조번호의 설명은 생략한다.

도 1b에서, 예컨대 구동전극(31) 중 감지전극(41~43)과 교차하여 상호 커패시턴스를 만들어 내는 부분을 각각 참조번호 311, 312, 313으로 나타내었다. 마찬가지로 구동전극(32) 및 구동전극(33)에 대해서는 각각 참조번호 321, 322, 323 및 참조번호 331, 332, 333으로 나타내었다.

또한 도 1b에서, 예컨대 감지전극(41) 중 구동전극(31~33)과 교차하여 상호 커패시턴스를 만들어 내는 부분을 각각 참조번호 411, 412, 413으로 나타내었다. 마찬가지로 감지전극(42) 및 감지전극(43)에 대해서는 각각 참조번호 421, 422, 423 및 431, 432, 433으로 나타내었다.

도 2a는 도 1에 설명한 도전물질감지장치를 물통(100)의 외벽에 부착하여 사용하는 실시예를 나타낸다.

도 2a에서, 각 구동전극(30)의 연장방향이 물통(100)의 수위방향을 향하도록, 즉 수직방향을 향하도록 배치한다. 따라서 각 감지전극(40)의 연장방향은 물통(100)의 수위방향에 수직인 방향, 즉 수평방향을 향하도록 배치된다. 그리고 감지전극(40)과 구동전극(30) 사이에는 이 둘 사이를 절연하기 위한 절연부(50)가 배치되어 있다.

도 2b는 도 2a와 같이 물의 높이가 감지전극(43)과 감지전극(42) 사이에 존재하는 경우에 있어서 도전물질감지장치의 각 부분에서의 커패시턴스 변화를 나타낸다. 특히, 도 2b는 도 1a에서 구동전극(31)에만 구동신호를 인가하고 다른 구동전극(32, 33)에는 일정한 상수의 값을 갖는 전위를 인가하는 예를 나타낸 것이다. 도 2b에서 구동전극(32, 33)에 관한 사항은 설명의 편의상 생략하였다.

도 2b에서 물이 감지전극(41) 근처에는 존재하지 않는다. 따라서 구동전극(31)의 부분(311)과 감지전극(41)의 부분(411) 사이에 형성되는 상호 커패시턴스(C11)에는 물에 의한 영향이 반영되지 않는다. 또한, 부분(411, 412, 413)을 포함한 감지전극(41)의 모든 부분에 형성되는 자기 커패시턴스에는 물에 의한 영향이 반영되지 않는다.

도 2b에서 물이 감지전극(42) 근처에도 존재하지 않는다. 따라서 감지전극(41)에 관련하여 상술한 것과 동일하게 설명할 수 있다.

그러나 도 2b에서 물이 감지전극(43) 근처에는 존재한다. 물이 없을 때의 구동전극(31)과 감지전극(43) 간의 상호 커패시턴스를 C31이라고 하면, 물이 있을 때에는 물에 의하여 C31,m만큼 상기 상호 커패시턴스 값이 줄어들게 된다. 그리고 물이 없을 때의 감지전극(43)의 자기 커패시턴스를 0이라고 하면, 물이 있을 때에는 물에 의하여 부분(431), 부분(432), 및 부분(433)에 각각 C31,s, C32,s, 및 C33,s만큼의 자기 커패시턴스가 증가하게 된다. 그리고 감지전극(43)에서 부분(431, 432, 433)을 제외한 다른 부분에도 자기 커패시턴스가 일정량 증가하게 된다.

도 2b에 따르면 감지전극(43)에서 부분(431, 432, 433)에 의한 자기 커패시턴스의 영향이 감지회로(23)의 결과에 반영된다.

도 3a는 도 1에 설명한 도전물질감지장치를 물통(100)의 외벽에 부착하여 사용하는 실시예를 나타낸다.

도 3b는 도 3a와 같이 물의 높이가 감지전극(42)과 감지전극(41) 사이에 존재하는 경우에 있어서 도전물질감지장치의 각 부분에서의 커패시턴스 변화를 나타낸다. 도 3b는 도 2b와 마찬가지 방식으로 설명한다.

도 3b에서 물이 감지전극(41) 근처에는 존재하지 않는다. 따라서 구동전극(31)의 부분(311)과 감지전극(41)의 부분(411) 사이에 형성되는 상호 커패시턴스(C11)에는 물에 의한 영향이 반영되지 않는다. 또한, 부분(411, 412, 413)을 포함한 감지전극(41)의 모든 부분에 형성되는 자기 커패시턴스에는 물에 의한 영향이 반영되지 않는다.

그러나 도 3b에서 물이 감지전극(42) 근처에는 존재한다. 물이 없을 때의 구동전극(31)과 감지전극(42) 간의 상호 커패시턴스를 C21이라고 하면, 물이 있을 때에는 물에 의하여 C21,m만큼 상기 상호 커패시턴스 값이 줄어들게 된다. 그리고 물이 없을 때의 감지전극(42)의 자기 커패시턴스를 0이라고 하면, 물이 있을 때에는 물에 의하여 부분(421), 부분 (422), 및 부분(423)에 각각 C21,s, C22,s, 및 C23,s만큼의 자기 커패시턴스가 증가하게 된다. 그리고 감지전극(42)에서 부분(421, 422, 423)을 제외한 다른 부분에도 자기 커패시턴스가 일정량 증가하게 된다.

또한 도 3b에서 물이 감지전극(43) 근처에는 존재한다. 도 2b에 설명한 바와 마찬가지로, 물이 없을 때의 구동전극(31)과 감지전극(43) 간의 상호 커패시턴스를 C31이라고 하면, 물이 있을 때에는 물에 의하여 C31,m만큼 상기 상호 커패시턴스 값이 줄어들게 된다. 그리고 물이 없을 때의 감지전극(43)의 자기 커패시턴스를 0이라고 하면, 물이 있을 때에는 물에 의하여 부분(431), 부분(432), 및 부분(433)에 각각 C31,s, C32,s, 및 C33,s만큼의 자기 커패시턴스가 증가하게 된다. 그리고 감지전극(43)에서 부분(431, 432, 433)을 제외한 다른 부분에도 자기 커패시턴스가 일정량 증가하게 된다.

도 3b에 따르면 감지전극(43)에서 부분(431, 432, 433)에 의한 자기 커패시턴스의 영향이 감지회로(23)의 결과에 반영되고, 부분(421, 422, 423)에 의한 자기 커패시턴스의 영향이 감지회로(22)의 결과에 반영된다.

도 4a는 도 1에 설명한 도전물질감지장치를 물통(100)의 외벽에 부착하여 사용하는 실시예를 나타낸다.

도 4b는 도 4a와 같이 물의 높이가 감지전극(41) 위에 존재하는 경우에 있어서 도전물질감지장치의 각 부분에서의 커패시턴스 변화를 나타낸다. 도 4b는 도 2b와 마찬가지 방식으로 설명한다.

도 4b에서 물이 감지전극(41) 근처에 존재한다. 물이 없을 때의 구동전극(31)과 감지전극(41) 간의 상호 커패시턴스를 C11이라고 하면, 물이 있을 때에는 물에 의하여 C11,m만큼 상기 상호 커패시턴스 값이 줄어들게 된다. 그리고 물이 없을 때의 감지전극(41)의 자기 커패시턴스를 0이라고 하면, 물이 있을 때에는 물에 의하여 부분(411), 부분 (412), 및 부분(413)에 각각 C11,s, C12,s 및 C13,s만큼의 자기 커패시턴스가 증가하게 된다. 그리고 감지전극(41)에서 부분(411, 412, 413)을 제외한 다른 부분에도 자기 커패시턴스가 일정량 증가하게 된다.

그리고 도 4b에서 물이 감지전극(42) 근처에도 존재한다. 물이 없을 때의 구동전극(31)과 감지전극(42) 간의 상호 커패시턴스를 C21이라고 하면, 물이 있을 때에는 물에 의하여 C21,m만큼 상기 상호 커패시턴스 값이 줄어들게 된다. 그리고 물이 없을 때의 감지전극(42)의 자기 커패시턴스를 0이라고 하면, 물이 있을 때에는 물에 의하여 부분(421), 부분(422), 및 부분(423)에 각각 C21,s, C22,s, 및 C23,s만큼의 자기 커패시턴스가 증가하게 된다. 그리고 감지전극(42)에서 부분(421, 422, 423)을 제외한 다른 부분에도 자기 커패시턴스가 일정량 증가하게 된다.

또한 도 4b에서 물이 감지전극(43) 근처에는 존재한다. 도 2b에 설명한 바와 마찬가지로, 물이 없을 때의 구동전극(31)과 감지전극(43) 간의 상호 커패시턴스를 C31이라고 하면, 물이 있을 때에는 물에 의하여 C31,m만큼 상기 상호 커패시턴스 값이 줄어들게 된다. 그리고 물이 없을 때의 감지전극(43)의 자기 커패시턴스를 0이라고 하면, 물이 있을 때에는 물에 의하여 부분(431), 부분 (432), 및 부분(433)에 각각 C31,s, C32,s, 및 C33,s만큼의 자기 커패시턴스가 증가하게 된다. 그리고 감지전극(43)에서 부분(431, 432, 433)을 제외한 다른 부분에도 자기 커패시턴스가 일정량 증가하게 된다.

도 4b에 따르면 감지전극(43)에서 부분(431, 432, 433)에 의한 자기 커패시턴스의 영향이 감지회로(23)의 결과에 반영되고, 부분(421, 422, 423)에 의한 자기 커패시턴스의 영향이 감지회로(22)의 결과에 반영되고, 부분(411, 412, 413)에 의한 자기 커패시턴스의 영향이 감지회로(21)의 결과에 반영된다.

<본 발명의 일 실시예>

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도전물질감지장치의 구성을 나타낸 것이다.

도 5에 따른 실시예는 도 1에 따른 실시예와 유사하지만 아래의 두 가지 점에서 다르다.

첫째, 도 1에서는 부분(411, 412, 413)이 서로 연결되어 하나의 감지전극(41)을 이루었으나, 도 5에서는 부분(411, 412, 413)이 서로 절연되어 있다. 이는 부분(421, 422, 423)과 부분(431, 432, 433)에 대해서도 마찬가지이다.

둘째, 도 1에서는 감지전극(41, 42, 43)에 총 3개의 감지센서(21~23)가 연결되어 있지만, 도 5에서는 부분(411~413, 421~423, 431~433)에 총 9개의 감지센서(211~213, 221~223, 231~233)가 연결되어 있다. 즉 도 5에서는 모든 부분(411~413, 421~423, 431~433)이 감지센서로서 사용될 수 있다.

도 5에서 다수 개의 감지센서가 도시되었지만, 변형된 실시예에서는 더 적은 개수의 감지센서를 멀티플렉서를 이용하여 공유하여 사용할 수 있다.

도 5의 도전물질감지장치는 도 2a, 도 3a 및 도 4a에 나타낸 바와 같이, 물통(100)에 붙여서 사용할 수 있다.

도 5에서 구동신호 입력부(11), 구동전극(31), 감지전극(411, 421, 431) 및 감지센서(211, 221, 231)로 구성되는 부분(88)을 단위감지부라고 지칭할 수 있다. 도 5에서는 단위감지부가 총 3개가 제공되어 있다.

도 6a는 도 2a와 마찬가지로 물의 높이가 감지전극(43)과 감지전극(42) 사이에 존재하는 경우에 있어서 도 5의 도전물질감지장치의 각 부분에서의 커패시턴스 변화를 나타낸다.

도 6b는 도 3a와 마찬가지로 물의 높이가 감지전극(42)과 감지전극(41) 사이에 존재하는 경우에 있어서 도 5의 도전물질감지장치의 각 부분에서의 커패시턴스 변화를 나타낸다.

도 6c는 도 4a와 마찬가지로 물의 높이가 감지전극(41)보다 위에 존재하는 경우에 있어서 도 5의 도전물질감지장치의 각 부분에서의 커패시턴스 변화를 나타낸다.

도 6a에 따르면, 도 2b와는 달리, 부분(432, 433)에 의한 자기 커패시턴스의 영향은 감지회로(231)의 결과에 반영되지 않는다. 이는 부분(431, 432, 433)이 서로 연결되어 있지 않기 때문이다.

도 6b에 따르면, 도 3b와는 달리, 부분(422, 423)에 의한 자기 커패시턴스의 영향은 감지회로(221)의 결과에 반영되지 않고, 부분(432, 433)에 의한 자기 커패시턴스의 영향은 감지회로(231)의 결과에 반영되지 않는다. 이는 부분(431, 432, 433)이 서로 연결되어 있지 않고, 부분(421, 422, 423)이 서로 연결되어 있지 않기 때문이다.

도 6c에 따르면, 도 4b와는 달리, 부분(432, 433)에 의한 자기 커패시턴스의 영향은 감지회로(231)의 결과에 반영되지 않고, 부분(422, 423)에 의한 자기 커패시턴스의 영향은 감지회로(221)의 결과에 반영되지 않고, 부분(412, 413)에 의한 자기 커패시턴스의 영향은 감지회로(211)의 결과에 반영되지 않는다. 이는 부분(431, 432, 433)이 서로 연결되어 있지 않고, 부분(421, 422, 423)이 서로 연결되어 있지 않고, 부분(411, 412, 413)이 서로 연결되어 있지 않기 때문이다.

<본 발명의 일 실시예와 비교 실시예의 효과 비교>

이하, 도 1에 나타낸 비교 실시예와 및 도 5에 나타낸 본 발명의 일 실시예에 따른 효과를 비교하여 설명한다.

설명의 편의를 위하여 도 2b, 도 3b, 도 4b, 도 6a, 도 6b, 도 6c에 나타낸 C11, C21, C31, C11,m, C21,m, C31,m, C11,s, C12,s, C13,s, C21,s, C22,s, C23,s, C31,s, C32,s, C33,s에 구체적인 값을 대입하여 설명한다. 이하 도 2b, 도 6a에서 가정한 수위는 낮은 수위, 도 3b, 도 6b에서 가정한 수위를 중간수위, 도 4b, 도 6c에서 가정한 수위를 높은 수위라고 지칭할 수 있다.

이때, 구동전극에 구동신호가 인가되는 경우 C11, C21, C31은 각각 500의 값을 갖는 것으로 가정할 수 있다. 그리고 구동전극에 구동신호가 인가될 때에 하고, 부분(411, 421, 431) 근처에 물이 존재하는 경우 C11,m, C21,m, C31,m은 각각 400의 값을 갖는 것으로 가정할 수 있다. 그리고 부분(411~413, 421~423, 431~433) 근처에 물이 존재하지 않는 경우에는 C11,s, C12,s, C13,s, C21,s, C22,s, C23,s, C31,s, C32,s, C33,s가 각각 0의 값을 갖고, 부분(411~413, 421~423, 431~433) 근처에 물이 존재하는 경우에는 C11,s, C12,s, C13,s, C21,s, C22,s, C23,s, C31,s, C32,s, C33,s가 각각 100의 값을 갖는 것으로 가정할 수 있다.

이때, 도 1과 같은 도전물질감지장치를 사용할 때에, 도 2a와 같이 물의 높이가 감지전극(43)과 감지전극(42) 사이에 존재하는 경우에, 도 2b의 감지센서(21, 22, 23)가 각각 감지한 커패시턴스의 값은 아래 식 1과 같이 주어질 수 있다.

[식 1]

감지센서(21)의 감지결과: 500 = C11

감지센서(22)의 감지결과: 500 = C21

감지센서(23)의 감지결과: 400 = C31 - C31,m + C31,s + C32,s + C33,s

그리고 도 1과 같은 도전물질감지장치를 사용할 때에, 도 3a와 같이 물의 높이가 감지전극(42)과 감지전극(41) 사이에 존재하는 경우에, 도 3b의 감지센서(21, 22, 23)가 각각 감지한 커패시턴스의 값은 아래 식 2와 같이 주어질 수 있다.

[식 2]

감지센서(21)의 감지결과: 500 = C11

감지센서(22)의 감지결과: 400 = C21 - C21,m + C21,s + C22,s + C23,s

감지센서(23)의 감지결과: 400 = C31 - C31,m + C31,s + C32,s + C33,s

그리고 도 1과 같은 도전물질감지장치를 사용할 때에, 도 4a와 같이 물의 높이가 감지전극(41) 위쪽에 존재하는 경우에, 도 4b의 감지센서(21, 22, 23)가 각각 감지한 커패시턴스의 값은 아래 식 3과 같이 주어질 수 있다.

[식 3]

감지센서(21)의 감지결과: 400 = C11 - C11,m + C11,s + C12,s + C13,s

감지센서(22)의 감지결과: 400 = C21 - C21,m + C21,s + C22,s + C23,s

감지센서(23)의 감지결과: 400 = C31 - C31,m + C31,s + C32,s + C33,s

이와 비교하여, 도 5와 같은 도전물질감지장치를 사용할 때에, 도 6a와 같이 물의 높이가 감지전극(43)과 감지전극(42) 사이에 존재하는 경우에, 도 5의 감지센서(211, 221, 231)가 각각 감지한 커패시턴스의 값은 아래 식 4와 같이 주어질 수 있다.

[식 4]

감지센서(211)의 감지결과: 500 = C11

감지센서(221)의 감지결과: 500 = C21

감지센서(231)의 감지결과: 200 = C31 - C31,m + C31,s

그리고 도 5와 같은 도전물질감지장치를 사용할 때에, 도 6b와 같이 물의 높이가 감지전극(42)과 감지전극(41) 사이에 존재하는 경우에, 도 5의 감지센서(211, 221, 231)가 각각 감지한 커패시턴스의 값은 아래 식 5와 같이 주어질 수 있다.

[식 5]

감지센서(211)의 감지결과: 500 = C11

감지센서(221)의 감지결과: 200 = C21 - C21,m + C21,s

감지센서(231)의 감지결과: 200 = C31 - C31,m + C31,s

그리고 도 5와 같은 도전물질감지장치를 사용할 때에, 도 6c와 같이 물의 높이가 감지전극(41) 위쪽에 존재하는 경우에, 도 5의 감지센서(211, 221, 231)가 각각 감지한 커패시턴스의 값은 아래 식 6과 같이 주어질 수 있다.

[식 6]

감지센서(211)의 감지결과: 200 = C11 - C11,m + C11,s

감지센서(221)의 감지결과: 200 = C21 - C21,m + C21,s

감지센서(231)의 감지결과: 200 = C31 - C31,m + C31,s

식 1, 식 2, 식 3에서 얻을 결과를 정리하면, 도 1의 비교 실시예에 따른 감지센서의 감지결과를 아래 표 1과 같이 나타낼 수 있다.

감지센서	낮은 수위	중간수위	높은 수위
21	500	500	400
22	500	400	400
23	400	400	400

식 4, 식 5, 식 6에서 얻을 결과를 정리하면, 도 5의 본 발명의 일 실시예에 따른 감지센서의 감지결과를 아래 표 2와 같이 나타낼 수 있다.

감지센서	낮은 수위	중간수위	높은 수위
211	500	500	200
221	500	200	200
231	200	200	200

표 1의 경우를 살펴보면, 물이 없는 경우에는 감지센서에서 500에 대응하는 값이 실측되고 물이 존재하는 경우에는 400에 대응하는 값이 실측된다. 이때 예컨대 임계치를 450으로 설정하여 감지센서의 실측값이 임계치 이상에 대응하는 경우 물이 존재하지 않고, 임계치 미만에 대응하는 경우 물이 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 그런데 이때의 마진은 상기 임계치를 중심으로 +-50에 불과하다. 따라서 환경 변동으로 인하여 실측치에 변동이 생기는 경우 임계치와의 비교결과에 오류가 발생할 수 있다.

그러나 표 2의 경우를 살펴보면, 물이 없는 경우에는 감지센서에서 500에 대응하는 값이 실측되고 물이 존재하는 경우에는 200에 대응하는 값이 실측된다. 이때 예컨대 임계치를 350으로 설정하여 감지센서의 실측값이 임계치 이상에 대응하는 경우 물이 존재하지 않고, 임계치 미만에 대응하는 경우 물이 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 이때의 마진은 상기 임계치를 중심으로 +-150의 값을 갖는다. 따라서 위의 표 1과 비교하여 볼 때에 +-100의 마진을 더 확보할 수 있다. 그 결과 환경 변동으로 인하여 실측치에 변동이 생기는 경우에도 임계치와의 비교결과에 오류가 발생할 확률이 낮아진다는 장점이 있다.

<본 발명의 다른 실시예>

도 6a, 6b, 6c에서는 도 5의 감지센서 211, 221, 231에서의 실측결과에 대해서만 설명하였다. 그러나 도 5에서는 감지센서 212, 222, 232, 213, 223, 233이 더 도시되어 있다. 각각의 감지센서들은 서로 독립적으로 작동할 수 있다. 따라서 구동파형 입력부(11~13)가 각각 구동파형을 구동전극(31~33)에게 입력하면 각각의 감지센서들은 모두 감지결과를 출력할 수 있다.

도 7은 도 5에 나타낸 도전물질감지장치를 물통(100)의 외벽에 장착한 경우의 개념도를 나타낸 것이다. 여기에서 레벨(L1)까지 물이 찼는지를 판단하기 위하여 감지센서(211~213)의 감지결과를 평균 내어 사용할 수 있다. 마찬가지로 레벨(L2, L3)까지 물이 찼는지를 판단하기 위하여 감지센서(221~223)의 감지결과를 평균내고, 감지센서(231~233)의 감지결과를 평균 내어 사용할 수 있다. 이렇게 하면 수위와 상관없이 물통의 외벽에 불규칙적으로 존재할 수 있는 이슬과 같은 도전물질에 의한 영향을 배제할 수 있다는 효과가 있다.

도 5 내지 도 7에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 도전물질감지장치가 통 안에 들어 있는 물의 높이를 측정하는 데에 사용되는 예를 들었지만, 통 안에는 물이 아니라, 휘발유, 경유 등과 같은 다른 종류의 유체가 들어 있는 경우의 예를 들 수도 있다.

또한 도 5 내지 도 7에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 도전물질감지장치가 통의 바깥쪽에 부착되어, 통의 안쪽에 들어 있는 도전물질의 높이를 측정하는 예를 나타내었다. 그러나 이와 반대로 본 발명의 일 실시예에 따른 도전물질감지장치가 속이 빈 막대 형태의 관 내부에 부착된 후, 예컨대 호수, 강물, 물통, 기름통, 및 분말통과 같은 유체 또는 입상 고형물 통의 내부에 삽입될 수 있다. 이러한 경우에도 측정 대상 도전물질과 도전물질감지장치의 안팎 관계가 달라졌을 뿐, 도전물질감지장치는 그 기능을 제대로 발휘할 수 있다. 도 8은 이를 설명하기 위한 도면이다.

도 8은 도전물질감지장치와 측정대상물질의 상대적인 위치관계를 설명하기 위한 도면이다. 도 8은 위에서 아래로 내려다본 도면이다. 경계파트(300)는 측정대상물질(400)과 도전물질감지장치(1)를 서로 절연해주는 역할을 하는 물리적인 인터페이스이다. 도 5의 예에서는 물통(100)이 경계파트(300)의 역할을 해주었지만 다양한 실시예를 생각해 볼 수 있다. 도 8의 (a)는 측정대상물질(400)이 경계파트(300)의 안쪽에 존재하는 경우를 나타낸 것이고 도 8의 (b)는 측정대상물질(400)이 경계파트(300)의 바깥쪽에 존재하는 경우를 나타낸 것이다.

도 8과 달리, 도전물질감지장치(1)가 측정대상물질(400)과 절연만 되어 있다고 한다면 별도의 경계파트(300) 없이도 도전물질감지장치(1)를 측정대상물질(400) 내부에 삽입하여 사용할 수도 있다.

또한 도 5 내지 도 7에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 도전물질감지장치의 구동전극의 연장방향이 수직방향을 따라 연장되도록 되어 있는 예를 나타내었다. 그런데 이와 달리 구동전극의 연장방향이 수직방향과 다른 방향을 따라 연장되는 예도 가능하다. 이를 도 9를 참조하여 설명한다.

도 9는 관 내부에 존재하는 유체의 경계면의 위치를 측정하는 실시예를 나타낸 것이다. 예컨대 점성이 강한 유체(400)를 격납하는 좁은 관(500)이 수평방향을 따라 연장되어 있다고 할 때에, 관(500) 내부에서 유체(400)가 차지하는 영역과 그렇지 않은 공기와 같은 영역(401)은 2개로 뚜렷이 구분될 수도 있다. 이때, 유체(400)와 영역(401)의 경계면의 위치 또는 대략적인 위치를 축정하기 위하여 도 5에 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 도전물질감지장치(1)를 관(500)의 외부에 설치할 수 있다. 이때, 각 구동전극은 관의 연장방향, 예컨대, 관(500)이 수평방향으로 연장되었을 때에는 수평방향을 따라 연장되어 있을 수 있다.

<비교 실시예 2>

도 10은 또 다른 비교 실시예에 따른 도전물질감지장치의 구성을 나타낸 것이다.

도 10의 예에서는 구동신호를 입력받는 구동전극이 존재하지 않는다. 따라서 이 도전물질감지장치는 자기 커패시턴스만을 이용하여 측정하는 방식이다. 이때, 각 전극(411~413, 421~423, 431~433)를 통해 전류를 흘려보내야 하는데, 이 경우 보통 각 감지센서(211~213, 221~223, 231~233)에는 2개의 연산증폭기와 2개의 적분 커패시터가 사용된다.

그러나 도 5의 예에 따르면 각 감지센서(211~213, 221~223, 231~233)에는 1개의 연산증폭기와 1개의 적분 커패시터만을 사용할 수 있다. 따라서 비교 실시예 2에 비하여 본 발명의 일 실시예의 장치 구성의 복잡도가 낮다는 장점이 있다.

상술한 본 발명의 실시예들을 이용하여, 본 발명의 기술 분야에 속하는 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 특허청구범위의 각 청구항의 내용은 본 명세서를 통해 이해할 수 있는 범위 내에서 인용관계가 없는 다른 청구항에 결합될 수 있다.

11~13: 구동파형 입력부
21~23, 211~213, 221~223, 231~233: 감지센서
30, 31~33: 구동전극
40, 41~43: 감지전극
50: 절연부
100: 물통

Claims (9)

1. (1) 수직 방향으로 연장된 구동전극;
   (2) 상기 구동전극에 구동신호를 제공하는 구동파형 입력부;
   (3) 상기 수직 방향을 따라 상기 구동전극과 용량결합되도록 배치된 복수 개의 감지전극; 및
   (4) 상기 복수 개의 감지전극에 결합되어 상기 감지전극 근처에 액체가 존재하는지 여부를 감지하는 감지회로부;
   를 포함하는 단위감지부를 포함하는 액체감지장치로서,
   서로 독립적인 복수 개의 상기 단위감지부가 수평 방향을 따라 나란히 배치되어 있으며,
   서로 동일한 높이에 배치된 복수 개의 감지전극들로부터 검출된 정보의 대푯값을 이용하여 상기 높이에 액체가 존재하는지를 판단하도록 되어 있는,
   액체감지장치.
2. M개의 행과 N개의 열을 갖는 행렬형태로 배치된 복수 개의 감지전극;
   열 방향을 따라 연장되어 있으며 각 열의 감지전극들과 용량결합되도록 배치되어 있는 N개의 구동전극;
   상기 구동전극에 구동신호를 제공하는 구동파형 입력부; 및
   상기 복수 개의 감지전극에 결합되어 상기 감지전극 근처에 액체가 존재하는지 여부를 감지하는 감지회로부
   를 포함하며,
   상기 M개의 행 중 동일한 특정 행에 배치된 복수 개의 감지전극으로부터 검출된 정보의 대푯값을 이용하여 상기 특정 행의 높이에 액체가 존재하는지를 판단하도록 되어 있으며,
   상기 열의 연장 방향은 수직방향이며, 상기 행의 연장방향은 수평방향인,
   액체감지장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 구동전극과 상기 감지전극을 상기 액체로부터 절연하는 경계파트를 더 포함하며,
   상기 경계파트는 상기 열 방향을 따라 연장되어 있으며, 가운데에 빈 공간을 가지며, 그 단면이 임의의 모양을 갖는 측벽부를 포함하며,
   상기 구동전극은, 상기 구동전극의 연장방향이 상기 측벽부의 상기 연장방향과 나란히 되도록, 상기 측벽부의 내벽부에 배치되어 있는,
   액체감지장치.
4. 제2항에 있어서,
   상기 각 열은, 상기 액체와 상기 액체를 둘러싼 환경 사이의 경계면으로서, 상기 경계면에 존재하는 상기 액체의 위치가 병진하여 변경되는 상기 경계면에 평행으로 배치되어 있는,
   액체감지장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 액체는 물통에 들어 있는 물인, 액체감지장치.
6. 제4항에 있어서, 상기 액체는 유체를 담는 통에 들어 있는 유체인, 액체감지장치.
7. 삭제
8. 제2항에 있어서, 상기 액체는 도전성분을 갖는, 액체감지장치.
   
9. 삭제

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