JPS6359460B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 走行路の表面下に埋め込まれた電極に供給さ
れた振動電流の一部が大地へ分流する状態が走行
路の表面の湿潤状況及び凍結状況に応じて異なる
ことを検出することにより走行路の表面の湿潤状
況及び凍結状況を検出する方法にして、走行路の
表面に於ける塩分等の不純物の濃度を検出し、検
出された不純物濃度に応じて該濃度が増大したと
き前記電流の周波数が増大するように該振動電流
の周波数を変えることを特徴とする方法。

発明の背景 本発明は降水検出装置に係り、更に詳細には高
速道路や空港の滑走路の如き走行路の表面上にお
ける湿潤状況及び凍結状況を検出する方法に係
る。

走行路表面の湿潤状況及び凍結状況を検出する
装置は自動車の運転者、高速道路の管理者、空港
の管理者などにとつて非常に有用な手助けとなる
ものである。かかる装置の幾つかが本願出願人と
同一の出願人に譲渡された米国特許第3873927号、
同第3882381号、及び同第4135151号に於て既に提
案されている。またかかる技術分野に於ける他の
特許としては、米国特許第2419266号、同第
3243793号、同第3428890号、及びフランス特許第
2078982号がある。

これら従来の検出装置は走行路表面の状況に関
する有用な情報を提供するものであるが、幾つか
の点に関しそれらの有効性が改善されれば一層有
利である。例えば米国特許第4135151号に記載さ
れた検出装置は、その検出装置が5kHzの周波数
にて作動される場合には、センサブロツクの表面
上に存在する塩の如き不純物に敏感であり、従つ
て検出装置の周りの走行路が乾燥している場合で
あつて水分が検出されてしまう。例えば200kHz
の如き実質的に高い周波数にて作動する従来の検
出装置は、かかる不純物には敏感ではないが、セ
ンサブロツクの表面上に存在する純粋の水に対し
ても敏感ではないという問題がある。即ちかかる
高い周波数にて検出装置を作動させれば純粋の水
も検出され得ないことがある。更に従来の検出装
置の応答性は温度の関数として変動し易いもので
ある。

発明の概要 本発明の目的は、走行路の表面に於ける湿潤状
況及び凍結状況を高い信頼性にて正確に検出する
方法及び装置を提供することであり、走行路上に
不純物が存在する場合にも正確に作動する検出装
置を提供することであり、走行路上の純粋の水及
び氷を正確に検出する検出装置を提供することで
あり、周囲温度が大きく変化しても降水を正確に
高い信頼性にて検出する検出装置を提供すること
である。本発明の他の目的及び特徴は一部は明ら
かであり、一部はこれ以降行われる本発明の詳細
な説明に於て指摘されるであろう。

端的に言えば、本発明による湿潤及び凍結状況
検出装置は、電気絶縁材よりなるブロツクであつ
て、該ブロツクの上面が走行路の表面と実質的に
同一平面をなし且降水に曝されるよう表面内に埋
設されるよう構成されたブロツクを含んでいる。
ブロツクにはセンサ電極が嵌込まれており、また
ブロツクの上面上に降水が蓄積することによりセ
ンサ電極と走行路との間の静電容量及びコンダク
タンスが影響を受けるよう、ブロツクの上面の下
方所定距離の位置に配置されている。また本発明
による湿潤及び凍結状況検出装置はブロツクの上
面上に所定濃度の塩の如き不純物が存在すること
を検出する検出回路、及び一方の所定の周波数に
於ては前記検出装置はブロツクの上面上に存在す
る不純物に比較的敏感であり且他方の所定の周波
数に於ては不純物に比較的敏感ではないような少
なくとも二つの異なつた所定の周波数にてセンサ
電極へ時間と共に変化する電流を供給する電流供
給回路を含でいる。更に検出回路に応答して、実
質的に純粋の降水がブロツクの上面上に存在する
場合には前記一方の所定の周波数にてセンサ電極
へ電流を供給し、また不純物が検出されている場
合には前記他方の所定の周波数にてセンサ電極へ
電流を供給するよう電流供給回路を制御する追加
の回路が含まれている。降水信号回路がセンサ電
極に接続されて走行路上に降水が存在することを
示す信号を発生するようになつており、この降水
信号回路は降水が走行路上に存在する場合にはセ
ンサ電極と走行路との間のキヤパシタンス損及コ
ンダクタンス損に応答して降水が存在することを
示す信号を発生するようになつている。

本発明による検出方法は、電気絶縁材よりなる
ブロツクであつて、内部にセンサ電極が嵌込まれ
ており、センサ電極はブロツクの上面上に降水が
蓄積することによりセンサ電極と走行路との間の
キヤパシタンス及びコンダクタンスが影響を受け
るようブロツクの上面の下方所定距離の位置に配
置されている如きブロツクを、該ブロツクの上面
が走行路の表面と実質的に同一平面をなし且降水
に曝されよう、走行路内に埋設することを含んで
いる。更に本発明による方法は、ブロツクの上面
上に所定濃度の塩の如き不純物が存在することを
検出し、時間と共に変化する電流をセンサ電極へ
供給し、センサ電極と走行路との間のキヤパシタ
ンス損及コンダクタンス損が走行路上に降水が存
在することを示す所定量を越えているか否かを調
べることを含んでいる。ブロツクの上面上に不純
物が検出されていない場合には時間と共に変化す
る電流は第一の所定の周波数を有しており、不純
物が検出されている場合には時間と共に変化する
電流は第二の所定の周波数を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による湿潤及び凍結状況検出装
置を一部破断して示す解図的斜視図である。

第２図は外形線が仮想線にて示されまた内部を
示すべく一部の部材が破断された状態にて本発明
による湿潤及び凍結状況検出装置の内部を示す解
図的側面図である。

第３Ａ図〜第３Ｄ図は第１図及び第２図に示さ
れた本発明による湿潤及び凍結状況検出装置に使
用される電気回路を示す解図的回路である。

好ましい実施例の詳細な説明 添付の各図に於て、本発明による湿潤及び凍結
状況検出装置は、符号１にて全体的に示されたセ
ンサを含んでいる。センサ１は電気絶縁材よりな
るほぼ平坦な上面５を有するブロツク３を含んで
いる。ブロツク３は空港の管理者や橋梁の上面の
如き走行路内に埋め込まれ、その上面５はそれが
走行路の表面と実質的に同一平面をなすよう配置
される。かかる位置に於ては上面５はその周囲の
走行路上に降下する降水、即ち雨、霙、雪などに
曝される。また上面５は勿論走行路上に存在する
ことがある塩などの如き不純物にも曝される。添
付の第１図に典型的な走行路が仮想線６にて示さ
れている。ブロツク３を構成する電気絶縁材は、
殆ど温度には依存しない絶縁定数（減衰率）を有
する熱硬化性合成樹脂材７を含んでいる。

ブロツク３には大きなほぼ長方形のセンサ電極
９が嵌込まれており、ブロツク３の上面５より所
定距離（例えば1/4インチ（0.63cm）程度）下方
の位置に配置されている。電極９は基質材１１の
上面に接合された金属フオイル材であり、基質材
１１は典型的にはプリント回路板を製造するのに
適した絶縁板であり、ブロツク３内に嵌込まれて
いる。基質１１の下面には第二の電極１３が接合
されている（第２図参照）。基質１１は各3/16
（0.476cm）インチの厚さを有しており、電極９及
び１３を互に他に対し実質的に平行に維持してい
る。また基質１１の上面及び下面にはそれぞれ二
つの接地電極１２及び１４が接合されており、こ
れらの接地電極はそれぞれ電極９及び１３を囲繞
しているがそれらより絶縁されている。基質１１
の下方にはそれより約1/2インチ（1.26cm）隔置
された状態にてプリント回路板１５が装着されて
おり、このプリント回路板に対し第３Ａ図乃至第
３Ｃ図に示された種々の電気素子が接続されてい
る。これらの電気素子は、それらを図示すると基
質１１とプリント回路板１５との関係が不明瞭と
なるので、第２図には図示されていない。第２図
には一対の導電体、特に一対のプレート１７及び
１９が図示されており、この上方部はブロツク３
の上面５に曝されている。

第３Ａ図には、センサ電極９へ時間と共に変化
する電流を供給し、特に約500Hz〜10kHzの範囲
の周波数の如き第一の予め定められた周波数にて
前記時間と共に変化する電流を供給し、又は約
50kHz〜300kHzの範囲内の周波数の如き第二の予
め定められた周波数にて前記時間と共に変化する
電流を供給する電流供給装置２１が示されてい
る。

かくして二つの異なつた周波数を使用する理由
は以下の如くである。センサ、は本願出願人と同
一の出願人に譲渡された米国特許第4135151号に
開示されたセンサと実質的に同一の要領にて作動
する。電極９へ供給される電流の一部はその電極
９と走行路６との間に於けるキヤパシタンス効果
及びコンダクタンス効果により失われ、即ち大地
に分流される。この場合分流の値はほぼ上面５上
に降水が存在するか否かの関数である。上面５が
乾燥しておりコンダクタンスがほぼ零である場合
には、一方に於ては上面５と走行路６との間他方
に於ては上面５と電極９との間のキヤパシタンス
は非常に小さく、従つて乾燥状態に於ては電極９
より走行路６へ電流が分流されることはない。し
かし上面５上に降水が存在する場合には、電極９
と走行路６との間に実質的に電流が分流れする。
ブロツク３の上面５上に例えば塩の如き不純物が
存在する場合の如く、或る状況に於ては、前述の
米国特許のセンサはそれを囲繞する走行路が乾燥
している場合であつても水が存在することを示し
てしまうことがある。このことは前記米国特許の
センサは水分や前述の如き不純物、特に塩に非常
に敏感であることによる。この場合、センサの電
極へ供給される電流の周波数を、約5kHz又は500
Hz〜10kHzの範囲の他の周波数より50kHz〜300k
Hzの範囲の他のより高い周波数に増大することに
より、前述の米国特許に開示されたセンサの如き
センサの不純物に対する感度を低減することがで
きる。しかしかくして周波数を高くすれば、その
センサの純粋の水や氷に対する感度も低減され、
従つてセンサは正に水や氷の如き降水が存在する
場合であつてそれを検出し得なくなつてしまう。
かくしてセンサを二つの異なつた周波数、即ちブ
ロツク３の上面上に不純物が存在する場合に使用
される一つの周波数と、かかる不純物が存在しな
い場合に使用される他の一つの周波数との二つの
周波数にて作動させるのが望ましいことが見出さ
れた。

第３Ｂ図に、ブロツク３の上面上に不純物が存
在することを検出、特にかかる不純物の所定の濃
度を検出する装置２３が図示されている。この場
合、前記所定の濃度とは所定の低い方の周波数に
於けるセンサの作動が信頼し得ないものとなる不
純物の量である。この検出装置２３は平行なプレ
ート１７及び１９を含んでおり、それぞれの一部
は大気に曝されており、従つてブロツク３の上面
上に不純物が存在する場合にはその不純物に曝さ
れる。

電流供給装置２１はトランジスタＱ１により制
御され（第３Ｃ図）、このトランジスタＱ１は後
に説明する如く検出装置２３に応答する。即ちト
ランジスタＱ１は、ブロツク３の上面上に実質的
に純粋の降水が存在する場合には第一の所定の周
波数にてセンサの電極へ電流を供給し、また不純
物が検出された場合には他方の（第二の）所定の
周波数にてセンサの電極へ電流を供給するよう、
電流供給装置２１を制御する手段を構成してい
る。第３Ｃ図及び第３Ｄ図には、走行路６上に降
水が存在することを示す信号を発生する降水信号
発生装置を構成する回路が図示されている。この
降水信号発生装置は、走行路６上に降水が存在す
る場合には、電極９と走行路６との間のキヤパシ
タンス損及びコンダクタンス損に応答して降水が
存在することを示す信号を発生するようになつて
いる。

本発明による湿潤及び凍結状況検出装置の回路
をより詳細に説明する。第３Ａ図には、電圧検出
制御端子（ピン５）を有するシグネテイツクス型
のSE 566の関数発生器２４が図示されている。
この関数発生器２４は作動中必要に応じて第一及
び第二の所定の周波数のいづれかの三角形波を発
生し、またその出力を波形成形回路網２５を経て
演算増幅器（OPアンプ）２７へ供給するように
なつている。演算増幅器２７はその出力（ほぼ切
頭された正弦波に似ている）をセンサ電極９及び
第二の電極１３へ供給するようになつている。か
くして演算増幅器２７及びその出力に関連するレ
ジスタ―コンデンサ回路網は、実質的に同一の電
流波形を電極９及び１３へ供給する手段を構成し
ている。上述の如く、降水がブロツク３の上面５
上に存在する場合には、電極９と走行路６との間
にキヤパシタンス損及びコンダクタンス損が存在
し、回路内のその点を越える電流はブロツク３の
上面が乾燥している場合に於ける電流値より低減
される。

演算増幅器２７の出力が電極１３にも供給され
る理由は、温度補正するためであり、また使用す
る周波数の相違によつて湿潤及び凍結状況検出装
置の応答性に相違が生じるのを補償するためであ
る。ブロツク３を構成する材料は温度変化による
絶縁定数の変化が最小限であるよう選定される
が、このことによつては上述の如き温度変化によ
る誤差を完全には排除し得ない。電極１３を使用
すれば湿潤及び凍結状況検出装置の温度応答性を
実質的に改善することができる。センサ電極９及
び電極１３は両方とも同一の絶縁媒体内に嵌込ま
れており、また実質的に同一の温度にあるので、
それらを囲繞する材料の絶縁定数は実質的にこれ
ら二つの電極の絶縁定数と同一である。かくして
電流供給装置２１より供給される時間と共に変化
する電流に対する電極１３の応答性を、センサ電
極９の応答性を測定するための基準として使用す
ることができる。何故ならば、センサ電極９より
もブロツク３の上面より大きく隔置された電極１
３は、ブロツクの上面に水分が存在するかしない
かによつては殆ど影響を受けない演算増幅器２７
からの信号に対する応答性を有しているからであ
る。上述の如く電極１３の演算増幅器２７からの
信号に対する応答性がブロツクの上面上に水分が
存在するか否かによつて殆ど影響を受けないの
は、電極１３は電極９と走行路６との間のキヤパ
シタンス損及びコンダクタンス損よりも実質的に
小さいキヤパシタンス損及びコンダクタンス損を
その電極と走行路との間に有しているからであ
る。同様に電極１３は周波数が異なる場合に於け
る湿潤及び凍結状況検出装置の応答性の相違を補
償するために使用される。本発明による湿潤及び
凍結状況検出装置は走行路６上に水分が存在する
ことを検出するのにキヤパシタンス効果を使用し
ているので、本発明による湿潤及び凍結状況検出
装置の応答性は演算増幅器２７からの信号の周波
数が変更されれば変化する。しかしこの変化はセ
ンサ電極９及び電極１３の両方にとつて実質的に
同一である。かくして電極１３の応答性を、走行
路６上に水分が存在するか否かを測定すべく、セ
ンサ電極９の応答性を比較するための基準として
使用することができる。

演算増幅器２７からの信号がセンサ電極９によ
り低減され、またこれよりも軽度に電極１３によ
り低減された後、それらの信号は二つの演算増幅
器２９及び３１、整流及びフイルタ回路網３３を
経て他の一つの演算増幅器３５へ供給される。演
算増幅器３５は演算増幅器２９及び３１からの信
号を比較し、従つて演算増幅器２９及び３１から
の信号を比較する手段を構成している。これらの
二つの信号間の差は走行路６に降水が存在してい
ること又は存在ていないことを示している。演算
増幅器３５の出力の大きさはブロツク３の上面上
に降水が存在しているか否かの関数である。この
出力はラインＬ１を経て演算増幅器３７及び演算
増幅器３９へ供給され、これらの演算増幅器はそ
の出力を増幅しまたそれをスケーリングする。演
算増幅器３９の出力はその出力を所定の敷居値
（その値を越えるときは走行路６上に降水が存在
していることを示している）と比較する一対の演
算増幅器４１及び４３へ供給される。第二の所定
の周波数に於て降水が検出されている場合には演
算増幅器４１が前記比較を行い、第一の所定の周
波数に於て降水が検出されている場合には演算増
幅器４３が前記比較を行う。演算増幅器４１及び
４３の出力は演算増幅器４５へ入力され、ブロツ
ク３の上面５上に降水が存在することを示す出力
信号を発生する。かくして演算増幅器４５及び第
３Ｄ図に示された回路は、間接的にではあるがセ
ンサ電極９に接続された手段であつて、走行路６
上に降水が存在することを信号化する手段を構成
している。この手段は走行路６上に降水が存在す
る場合には、センサ電極９と走行路６との間のキ
ヤパシタンス損及びコンダクタンス損に応答して
降水が存在することを示す信号を発生する。

湿潤及び凍結状況検出装置に於ては電極１３に
よつて与えられる温度補正以外にも温度補正を行
うのが望ましいのが解つている。このことは温度
補正回路４７によつて達成される。この温度補正
回路４７は走行路６の温度を検出する手段を構成
しており、また温度補正回路４７はｐ―ｎ―ｐト
ランジスタＱ２のベースに接続されたツエナーダ
オードＺ１及びダイオードＤ１と、サーミスタＴ
１と、演算増幅器４９とを含んでいる。トランジ
スタＱ２のコレクタに於ては測定される電圧はサ
ーミスタＴ１の抵抗の関数である。サーミスタＴ
１はその抵抗の温度係数が負であるので演算増幅
器４９の出力は温度が上昇すれば減少し、逆に温
度が低下すれば増大する。この出力はラインＬ３
を経て他の一つの演算増幅器５１（第３Ｃ図参
照）へ入力される。この演算増幅器５１はその温
度依存信号を上述の演算増幅器４１及び４３へ入
力する。サーミスタＴ１はブロツク３内に配置さ
れるのが好ましく、特に第２図に図示されている
如く、センサ電極９の上方にそれより極く僅か離
れたところに配置されるのが好ましい。

第３Ｂ図の上方部分に於て、プレート１７は１
５〜１７ボルト、60サイクルの交流電源に接続さ
れており、プレート１９は接地されている。これ
らのプレート１７及び１９はセンサの上面上に存
在する降水及びその不純物に曝されているので、
それらの間の抵抗はその降水や不純物によつて影
響を受ける。前述の米国特許第4135151号に記載
されている如く、これらのプレート間の抵抗は降
水が水である場合よりも降水が氷である場合の方
が大きい。更にそれらの間の抵抗は不純物が存在
する場合には小さくなる。かくしてこれらのプレ
ート１７及び１９は氷の存在を示すのみならず、
不純物の存在をも示す働きをなす。これらのプレ
ート間の抵抗が比較的小さい場合には、交流電源
より比較的多量の電流が大地へ分流されるが、そ
の抵抗が比較的高い場合には電流は殆ど分流され
ない。このことは演算増幅器５１の入力側に現わ
れる電圧に影響し、従つて演算増幅器５１の出力
はプレート１７とプレート１９との間の抵抗また
はコンダクタンスの逆数の関数である。即ちこの
交流電源及び演算増幅器５１はプレート１７とプ
レート１９との間のコンダクタンスを測定する手
段を構成している。この出力は整流されフイルタ
リングされて演算増幅器５３へ入力される。また
第３Ｂ図には、温度補正回路４７より出力される
信号を受ける回路５５が図示されている。その信
号及びその信号を出力する回路は極く僅かに修正
された形態にて前述の米国特許第4135151号に詳
細に記載されており、本明細書に於てはそれらの
説明については省略する。端的に言えばこの回路
５５は温度が33〓（0.56℃）以上である場合に
は、プレート１７とプレート１９との間に氷が存
在するという誤つた表示が行われないようにする
ものである。演算増幅器５３の出力及び回路５５
の出力は、前述の米国特許に詳細に記載されてい
る回路に非常によく似たデコーデイング回路５７
へ入力される。回路５７はそれぞれ走行路上に氷
が存在すること及び警戒すべき状況にあることを
示す二つの出力を有している。

演算増幅器５３の出力はラインＬ５を経て演算
増幅器５９（第３Ｃ図参照）にも入力される。演
算増幅器５９はブロツク３の上面上に不純物が存
在するか否かによつて必要に応じてトランジスタ
Ｑ１を開閉するよう構成されている。かくして演
算増幅器５３及び５９、及びそれらの付属抵抗回
路網は、プレート１７と１９との間のコンダクタ
ンスが不純物が存在することを示す値を有してい
る場合には、走行路６上に不純物が存在すること
を示す信号を発生する手段を構成している。トラ
ンジスタＱ１が通電状態にある場合には、関数発
生器の制御ピン５に於ける電圧を幾分か低下さ
せ、これにより関数発生器の出力は例えば150k
Hzの周波数を有するようになる。他方トランジス
タＱ１が通電状態にない場合には、制御ピン５に
於ける電圧は幾分か高くなり、関数発生器の出力
は例えば5kHzの周波数となる。周波数の実際の
値は制御ピン５に接続された回路網内の抵抗の値
により決定される。かくして走行路６上に不純物
が存在することを示す検出装置２３からの信号に
応答して電流供給装置２１へ入力される制御電圧
を変化する手段を構成している。

凍結状況及び警戒すべき状況を示す信号はライ
ンＬ９及びＬ１１を経て第３Ｄ図の回路へ入力さ
れ、降水が存在するか否かを示す演算増幅器４５
からの信号はラインＬ１３を経て前記回路へ入力
される。この第３Ｄ図に示された回路は前述の米
国特許第4135151号に記載された対応する回路と
実質的に同一であり、本明細書に於てはこの回路
の詳細についての説明は省略する。しかし端的に
言うならば、この回路はラインＬ９，Ｌ１１、及
びＬ１３を経て入力される信号の符号を解読し、
湿潤状況、凍結状況、又は警戒すべき状況を示す
出力信号を発生するようになつている。

以上の説明より、本発明の幾つかの目的が達成
され、また他の有利な結果が得られることが理解
されよう。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳
細に説明したが、本発明はかかる実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内にて種々の修
正並びに省略が可能であることは当業者にとつて
明らかであろう。