KR20160068732A - 강수의 초음파 방식 제거 - Google Patents

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KR20160068732A
KR20160068732A KR1020167004398A KR20167004398A KR20160068732A KR 20160068732 A KR20160068732 A KR 20160068732A KR 1020167004398 A KR1020167004398 A KR 1020167004398A KR 20167004398 A KR20167004398 A KR 20167004398A KR 20160068732 A KR20160068732 A KR 20160068732A
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Abstract

윈도우로부터 강수를 제거하는 시스템은 윈도우에 고정되는 하나 이상의 변환기(1 내지 8)를 포함한다. 변환기는 생성기(13)에 의해 구동되어, 윈도우를 통해 전파하는 표면 음파를 발생시킨다. 윈도우는 차량용 앞유리(10)와 같은 라미네이트된 윈도우일 수 있다. 감지 시스템(122)이 강수의 존재를 검출하여 제거 시스템을 작동시키는데 사용될 수 있다.

Description

강수의 초음파 방식 제거{ULTRASONICALLY CLEARING PRECIPITATION}
본 발명은 윈도우로부터 강수(precipitation)를 초음파 방식으로 제거하는 것에 관한 것이다. 본 발명의 실시예는 차량의 라미네이트된 앞유리로부터 강수를 제거하는 것에 관한 것이다.
종래에, 차량의 운전자는 와이퍼를 사용하여 하나 이상의 윈도우로부터 강수를 제거하여 윈도우를 통해 깨끗한 시야를 유지한다. 그러나, 와이퍼는 고무나 플라스틱이며 모터가 있는 금속 고정물에 조립되며, 와이퍼의 수명은, 부품이 닳는데 얼마나 걸리는지에 의존한다. RainX(RTM)과 같은 상업적으로 구입 가능한 제품이 윈도우의 용이한 청소를 위해 윈도우의 표면에 적용될 수 있다. 그러나, 와이퍼는 윈도우의 표면에 접촉하므로, 사용중일 때 윈도우 표면에 적용된 제품을 또한 없애서 제품의 추가 적용이 그에 따라 필요하다.
본 발명의 제1 양상에 따르면, 윈도우로부터 강수를 제거하는 시스템으로서, 윈도우, 하나 이상의 변환기, 및 하나 이상의 변환기에 대한 초음파 구동 신호를 생성하는 생성기를 포함하며, 하나 이상의 변환기는 윈도우의 표면에 고정되고 생성기에 의해 구동되어 표면 음파를 발생시키며, 표면 음파는 실질적으로 윈도우의 표면 영역을 통해서만 전파하는, 시스템이 제공된다.
본 발명의 제1 양상에 있어서, 강수의 존재를 검출하기 위해 변환기 중 하나 이상에 의해 방출되는 초음파를 감지하도록 배치되는 센서를 갖는 제어 시스템과, 이 시스템 또는 장치의 동작을 제어하기 위해 센서에 응답하는 제어기를 포함하는 시스템이 제공된다.
본 개시의 여러 특성 및 장점은, 오직 예를 통해서 본 개시의 특성을 함께 예시하는 수반하는 도면과 연계할 때, 다음에 오는 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다.
도 1a는 앞유리의 주변 영역에 위치한 변환기를 가진 차량을 도시하는 개략도이다.
도 1b는 변환기를 동작하기 위한 전자장치와 앞유리를 도시하는 개략도이다.
도 2는, 변환기가 그 표면에 본딩된 차량 앞유리를 통한 횡단면도를 도시하는 개략도이다.
도 3a는, 표면 음파를 앞유리의 표면 상의 강수에 방출하는 변환기를 도시하는 개략도이다.
도 3b는, 표면 음파를 앞유리의 표면 상의 강수에 방출하는 변환기가 있는 기울어진 앞유리를 도시하는 개략도이다.
도 3c는, 표면 음파를 사용한 강수의 물방울 밀어냄(droplet propulsion) 및 미세화(atomisation)를 도시하는 개략도이다.
도 4는, 소수성 및 친수성 코팅을 위한 강수의 접촉각을 도시하는 개략도이다.
도 5는 펄스화 모드로 변환기로부터 방출되는 표면 음파를 도시하는 개략도이다.
도 6은, 시스템에서 임피던스 라인을 매칭하는 방법을 도시하는 개략도이다.
도 7a는, 500kHz의 주파수에서 동작하기 위한 인터-디지털 변환기에 대한 설계를 도시하는 개략도이다.
도 7b는, 3mm 두께의 유리를 통한 500kHz의 주파수에서의 상이한 타입의 파의 파장을 도시하는 개략도이다.
도 7c는 상이한 파 타입의 개략도이다.
도 8은, 3mm 두께의 자동차용 유리를 통해 일주하는 상이한 타입의 파에 대한 주파수 함수로서 계산된 파의 속도를 도시하는 그래프이다.
도 9a는, 1MHz의 주파수에서 동작하기 위한 변환기에 대한 설계를 도시하는 개략도이다.
도 9b는, 500kHz의 주파수에서 동작하기 위한 변환기에 대한 설계를 도시하는 개략도이다.
도 10은, 바이저에 부착된 변환기를 가진 바이저의 개략도이다.
상세한 설명에서, 용어, "음파"는 구동 중인 변환기에 의해 발생된 파를 지칭하는데 사용되며; 사람에 대한 가청음 범위에 있는 파의 주파수를 지칭하지는 않는다.
강수는 비, 진눈깨비(sleet), 눈, 얼음, 이슬비(drizzle), 박무(mist), 안개, 싸락눈(hail) 또는 다른 타입의 강수를 포함한다. 강수가, 예컨대 앞유리와 같은 차량의 윈도우에 떨어질 때, 이것은 운전자의 시야를 방해한다.
강수가 윈도우에 떨어질 때, 표면 장력에 의해 윈도우의 표면에 끌린다. 예컨대 액체 물과 같은 강수는 윈도우 표면에 걸쳐서 많은 물방울을 형성할 수 있다. 출원인은 연구를 통해, 많은 물방울 각각이 상이한 크기이며, 상이한 직경을 가지고, 규칙적 또는 불규칙적일 수 있는 상이한 형상을 가짐을 알게 되었다. 물방울의 크기의 예는 예컨대 대략 1cm의 직경을 갖는 대략 0.4ml일 수 있지만, 훨씬 더 작을 수 있다. 승용차와 같은 차량의 전방 윈도우, 즉 앞유리는 예컨대 34°의 각도로 기울어져 있다. 이 각도는 더 클 수 있다. 일부 차량은 예컨대 35°이상과 같은 더 큰 각도로 기울어진 앞유리를 갖는다. 후방 윈도우는 전방 앞유리보다 더 큰 각도로 기울어질 수 있다. 큰 액체 물방울은, 그 더 큰 중량과 중력 하의 더 큰 영향으로 인해, 작은 액체 물방울보다 더 빨리 앞유리 아래로 흐를 것이다. 물방울의 표면 장력과 표면 위의 공기 흐름과 같은 다른 효과가 물방울이 표면에 걸쳐서 어떻게 움직이는지에 영향을 미칠 수 있다. 표면 장력은 더 큰 물방울보다 작은 물방울에 영향을 미칠 수 있다. 물방울 크기가 감소함에 따라, 물방울의 내압은 증가한다. 예컨대, 더 작은 물방울은, 더 큰 물방울과 비교하여 앞유리로부터 유출되기 전 더 큰 각도를 필요로 한다. 예시한 실시예에서, 시스템의 동작 동안 초음파를 사용한 물방울의 통합이 유용할 수 있으며, 이는 더 큰 물방울이, 그 더 큰 중량과 중력 및 공기 흐름 하에서의 영향으로 인해 더 작은 물방울과 비교하여 앞유리로부터 더욱 쉽게 제거할 수 있기 때문이다. 게다가, 공기 흐름이 없는 경우의 표면 장력 효과는 일정하며 온도와 독립적일 수 있다.
본 발명의 실시예는 초음파를 사용하여 윈도우의 표면으로부터 강수를 제거한다. 일반적으로, 초음파는 100kHz를 초과하며 대략 50MHz 이상까지인 주파수를 갖는 음파이다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 초음파는 대략 400kHz 내지 1.5MHz의 범위에 있는 주파수를 갖는다. 변환기가 주파수 범위에서 음파를 발생시키는데 사용된다. 변환기는 단일 주파수로 동작하기보다는 대신 중심 주파수의 어느 측에서 주파수 범위(즉, 대역폭)에 걸쳐서 동작한다. 변환기의 동작 주파수는 주파수 대역폭 내의 변환기의 주 동작 주파수 또는 중심 주파수에 관한 것으로서 이해될 것이다.
본 발명의 실시예에서, 변환기는 윈도우 표면에 본딩되어 초음파 주파수를 갖는 음파를 방출하도록 구동된다. 변환기로부터 방출되는 음파의 주파수 범위는 변환기의 설계에 의존한다.
도 1a는, 변환기(1 내지 8)가 차량의 앞유리(10)의 주변 영역(9)을 따라 위치한 본 발명의 실시예를 도시한다. 변환기는 앞유리의 주변에 본딩 또는 접착된다. 앞유리로부터 물방울 제거를 위해 변환기의 부착 위치에는 제한이 있다. 변환기는 차량의 운전자나 다른 승객의 시야를 방해하지 않도록 위치해야 한다. 앞유리 상의 변환기의 위치는 앞유리로부터 강수를 제거하는 성능 면에서 변환기의 효율에 영향을 미칠 수 있다. 어떠한 적절한 수의 변환기가 앞유리로부터 강수를 제거하는데 사용될 수 있다. 윈도우 또는 앞유리의 하나 이상의 측의 주변 영역을 따라 복수의 개별적으로 이격된 변환기가 있을 수 있다. 변환기는 또한 앞유리의 측 또는 정상과 바닥 중 어느 한쪽 또는 측 및 정상과 바닥 모두에서 연속적인 스트립을 형성하도록 배치할 수 있다. 인터-디지털 변환기(IDT: Inter-Digital Transducer)를 사용할 수 있다.
도 1b는 변환기를 위한 구동 전자 장치를 개략적으로 도시한다. 변환기는 배선(123)을 통해 구동 전자 장치 시스템에 연결되며, 여기서 구동 시스템은 전원(11), 제어부(12), 주파수 생성기(13), 파워 증폭기(14) 및 펄스 생성기(15)를 포함한다. 전원은 12V 또는 24V 차량 배터리일 수 있다. 구동 시스템은 비 센서(122) 및/또는 다른 수동 제어(121)에 의해 제어할 수 있다. 비 센서는 주변 아이템일 수 있거나 적절한 추가 회로를 갖는 시스템의 이미 일부분인 변환기를 사용하여 형성할 수 있다.
변환기는 앞유리에 본딩되어 구동 전자 장치에 의해 전원이 공급되거나 구동된다. 적절한 본딩제를 상업적으로 구매할 수 있으며 각각의 변환기를 앞유리에 고정하는데 사용한다. 본당제는 각각의 변환기와 윈도우의 표면 사이에 균일한 본딩 층을 형성하는데 사용한다. 변환기를 앞유리에 본딩하는 예시적인 실시예에서, 본딩제는 진공 중에서 혼합되어 본딩 층 내에서 공기 방울 형성을 방지한다. 기포가 본딩 층에 존재하면, 초음파 주파수는 매우 감쇄할 것이며 변압기 효율에 장애가 될 수 있다. 적절한 본딩제의 예는 에폭시 수지이다. 실시예에서, 에폭시 수지는 앞유리와 변환기에 적용하기에 앞서 혼합하기 위해 준비된 진공 백에서 제조 또는 제공될 수 있으며, 진공 백은 장벽에 의해 분리되는 두 개의 구획을 포함하며, 장벽은 진공 백 내에서 에폭시를 혼합하도록 깬다. 실시예에서, 본딩 층은 얇아서 유리, 본딩 층 및 변환기의 다층 시스템을 통한 소리의 굴절을 최소화한다. 본딩제는 본딩제의 임피던스를 이들이 부착되고 있는 윈도우 표면의 임피던스에 음파적으로 매칭시키는 것과 같은 다른 특수한 속성을 가질 수 있어서, 윈도우 표면으로부터의 원치 않는 반사를 최소화함으로써 음파를 윈도우에 효율적으로 결합 또는 투과할 수 있다. 각각의 변환기는 압전층 옆에 능동 소자로서 전극 세트와 접지 전극을 포함한다. 일부 실시예에서, 변환기는, 하나의 전극(예컨대, 접지 전극)이 윈도우로부터 멀리 향하고, 하나의 전극(예컨대, 절단 전극)이 앞유리의 외부 표면에 접착되게 부착된다. 일부 실시예에서, 변환기는, 변환기 표면이 윈도우의 표면 또는 변환기가 부착되고 있는 다른 표면과 평행하도록 표면에 본딩된다.
각각의 변환기는 도 1b의 주파수 생성기(13)와 파워 증폭기(14)에 의해 구동되어 주파수 범위를 방출한다. 방출되는 주파수의 범위 또는 주파수 대역폭은 고정될 수 있으며 설계자가 선택할 수 있다. 대안적으로 주파수 또는 대역폭은 운영자가 선택할 수 있다. 운영자는, 예컨대 변환기가 설치되는 차량의 운전자일 수 있다. 예컨대, 운전자는, 폭우 또는 약한 이슬비 조건에 대해서와 같이, 윈도우로부터 제거되는 강수의 양에 따라 방출되는 주파수의 범위를 선택하는 옵션을 가질 수 있다. 이것은 또한 비 센서를 사용하여 자동으로 진행할 수 있다. 이것은 조건에 따라 차량 내에서 운전자가 선택하는 다이얼이나 버튼의 형태를 가질 수 있다. 변환기를 구동하면, 변환기는 음파를 방출한다. 변환기 설계는, 변환기가 발생시키도록 구동될 수 있는 동작 주파수의 전체 범위를 결정할 수 있다. 방출되는 음파는, 다른 인자 중, 변환기 설계, 변환기와 변환기가 본딩되는 표면 사이의 접촉각, 구동 파워와 같은 인자에 의존한다. 변환기의 주파수 및 치수는, 예컨대 주파수를 더 높게 선택할수록 방출되는 음파 빔은 더욱 집속된다와 같이 변환기로부터 방출되는 음향 빔의 확산에 영향을 미치도록 선택할 수 있다. 방출되는 음파의 각각의 타입의 파장은 변환기의 전극 사이의 이격 거리의 함수이다.
변환기는 연속 또는 펄스화 모드로 구동할 수 있다. 펄스화 생성기가 펄스화 모드로 변환기를 구동하는데 사용될 수 있다. 펄스화 모드에서, 음파는 펄스로 변환기로부터 방출될 것이다. 주파수 생성기는 주파수 변조된 신호를 제공할 수 있어서 주파수 변조된 음파를 발생시킬 수 있다. 예로, 파의 주파수는 주파수 스위핑에 의해 주파수의 범위를 통해 구동한다.
각각의 파는 노드와 안티노드(nodes and antinodes)로 구성되며, 노드는 최소 진폭을 갖는 파의 구역이며, 안티노드는 최대 진폭을 갖는 파의 구역이다. 정상파가, 시스템에서 파의 안정적인 중첩이 있을 때 발생한다. 예컨대, 투과된 파와 반사된 파는, 이들의 주파수 성분의 상쇄 또는 증폭으로 인해 결합하여 정상파를 형성할 수 있다. 예로, 윈도우의 표면을 따라 일주하는 파는 윈도우 소재와 주위 매체 사이의 음향 임피던스 미스매치로 인해 윈도우 가장자리에서 반사될 수 있다. 반사된 파는 반대 방향으로 일주하는 파와 간섭할 수 있어서, 두 개의 파의 위상은 서로 상쇄하거나 결합되어 정상파를 형성시킨다. 본 출원인의 연구에 의하면, 예로, 앞유리 표면 상에 있는 물방울은 앞유리를 통해 또는 앞유리를 따라 일주하는 음파의 영향을 받을 것이다. 물방울은, 앞유리를 통해 또는 앞유리를 따라 일주하는 파의 노드나 안티노드의 위치에 의존할 수 있는 상이한 속도로 앞유리를 따라 움직이거나 진동함을 관찰할 수 있다. 앞유리의 주변에 본딩된 변환기를 구동할 때, 예컨대 공간 간섭 패턴에 대응하는 최대치 및 최소치의 존재와 같이, 앞유리에는 초음파 진동의 분포가 있을 수 있다. 다른 물방울과 비교하여 더 큰 속도로 움직이는 물방울은 안티노드가 위치한 앞유리의 구역이나 변환기가 위치한 곳에 가까운 영역에 의해 생성될 수 있다. 진동하는 물방울이나 느리게 움직이는 물방울은 앞유리 상의 노드에 또는 그 가까이나 변환기가 위치한 곳으로부터 더 멀리 위치할 수 있다. 변환기에 가까이 위치한 물방울은 직접 음장(direct sound field)을 경험할 수 있으며, 표면 음파(SAW: Surface Acoustic Wave)가 이들이 앞유리의 어딘가에서 반사되기 전에 방출되어 물방울과 부딪친다. 변환기가 위치한 곳으로부터 더 먼 거리에 위치한 물방울은 주로 반향(reverberant) 에너지 장을 받을 수 있으며, 초음파는 모든 방향으로부터 물방울과 부딪칠 수 있거나, 물방울과 부딪치기 전 경계에서 반사될 수 있다. 펄스화 에너지를 사용하면, 도 5의 실시예에서와 같이 반향 장의 레벨을 감소시킬 수 있다.
다른 예로, 물방울은 진동할 수 있어서 더 작은 물방울이 다른/별도의 물방울과 결합하여 더 큰 물방울을 형성하게 할 수 있으며, 이것은 앞유리의 표면으로부터 떨어져 흘러서(run off) 강수를 제거할 수 있다.
도 2는, 도 1a의 차량의 앞유리(10)의 예를 통한 단면도를 개략적으로 도시한다. 앞유리는 두 개의 유리 시트(21 및 22) 사이에 삽입되는 라미네이트 층(20)으로 구성된다. 유리는 자동차용에 적절하다. 현재 안전 규정 조치로 인해, 차량 앞유리는 라미네이트되어야 하며, 여기서 폴리비닐 부티랄(PVB: PolyVinyl Butyral) 라미네이트가 어닐링된 유리의 두 개의 층 사이에 압축된다. 공칭량의 접착제를 유리 표면 상에 분사하여 열을 적용하여 유리 층 사이의 라미네이트 층을 압축할 수 있다. 이것은 사고 동안과 같은 충격에 대해 강화 앞유리의 단일 층의 파괴와 관련된 문제를 감소시키며, 이것은 이전에 사용되었다. 라미네이트된 유리는 또한 그러한 상황에서 차량의 캐빈(cabin) 영역 내에 승객용 에어백을 포함하는 역할을 한다. 라미네이트 층은 0.38mm 두께일 수 있는 강화 층이며, 라미네이트 층의 어느 측의 유리 시트는 각각 3mm 두께일 수 있어서, 앞유리의 총 두께는 대략 6.4mm 두께일 수 있다. 앞유리의 정상 표면 상에는 선택적 코팅 층(23)이 있거나 없을 수 있다. 변환기(1 내지 8)는 앞유리의 가장자리 근처에서 또는 앞유리의 주변 구역에서 앞유리에 본딩된다. 본딩 층(24)이 변환기를 앞유리의 표면에 부착/고정한다. 변환기는 앞유리에 붙여서 외부 시야로부터 은폐할 수 있다. 변환기는, 가장 일반적으로 앞유리를 에워싸며, 앞유리의 주변을 따라 진행하는 고무 또는 플라스틱 시일(25) 밑에 숨길 수 있다. 변환기는, 변환기의 동작이 고무 시일의 존재에 의해 영향을 받지 않도록 위치한다. 앞유리는, 날씨에 노출되는 앞유리의 외부 구역(27)과, 앞유리가 고정되는 차량의 내부에 관련된 내부 구역(26)을 갖는다.
도 3a는, 그 표면 상에 강수가 있는 앞유리의 표면에 본딩되는 도 1a, 도 1b 또는 도 2의 변환기를 도시하는 개략도이다. 이 예에서, 물방울(30)이 앞유리의 표면 상에 존재한다. 변환기는, 도시한 바와 같이 앞유리의 표면을 따라 일주(39)하는 파(31)를 발생시키도록 구동되며, 이러한 파는 SAW로도 지칭한다. 방출되는 SAW의 주파수는 400kHz 내지 1.5MHz의 범위에 있으며, 바람직하게는 주 동작 주파수는 1MHz이다. 각각의 변환기는 주파수의 대역폭 내에서 주 동작 주파수를 가질 수 있다. 예컨대, 1MHz의 주 동작 주파수를 갖도록 설계한 변환기는 또한 그 주파수 대역폭 내에서 500kHz에서 동작하도록 구동할 수 있다. 그러나, 500kHz에서 구동되는, 1MHz의 주 동작 주파수를 갖는 변환기는 500kHz의 주 동작 주파수를 가지며 500kHz에서 구동되는 변환기만큼 효율적으로 실행되지 않을 수 있다. SAW는 변환기로부터 방출된다. 차량 앞유리 내의 라미네이트 층은 초음파를 매우 감소시켜서 댐핑 효과를 초래한다. 그러므로, 초음파는, 이들이 유리 또는 라미네이트 층 내로 깊게 침투하지 않도록 표면의 구역으로 제한될 수 있다. 투과된 파의 파의 주파수와 모드는 플라스틱 또는 라미네이트 층과 실질적으로 상호작용하지 않도록 선택할 수 있다. 그러므로, SAW는 대상 또는 앞유리의 표면에 결합되어, 앞유리 내의 라미네이트 층 내로 침투하지 않을 수 있다. 본 출원에 대한 적절한 파는 램파, 레일리(Rayleigh) 파 또는 다른 전단 타입 파를 포함할 수 있다. 다른 타입의 파는 감쇄될 가능성이 있으며 그 에너지를 라미네이트 층 내로 소산시킨다. 앞유리의 표면에서 일주하는 SAW에 추가하여, 다른 파(32)가 또한 앞유리의 본체 내로 방출될 수 있다. 방출된 다른 파는 종파 또는 전단 타입 파를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 자동차용 유리의 정상 층 내로의 파의 입사각(launch angle)은 유리를 통해 일주하는 원하는 타입의 초음파를 발생시키도록 선택할 수 있다.
변환기의 시준이 실행되어 시스템의 동작 효율을 최적화할 수 있다.
SAW는 앞유리의 표면에 결합될 것이며, 앞유리의 가장자리에 도달하면, 도 3a에 도시한 바와 같이 그 표면을 따라 앞유리로 다시 부분적으로 반사(33)될 것이다. 반사는 앞유리의 유리 소재와 앞유리의 외부 구역 또는 주변 구역(34)의 매체 사이의 음향 임피던스 미스매치로 인한 것일 것이다. 400kHz 내지 1.5MHz의 범위에서의 해당 주파수의 경우, 음파는 공기를 통해 매우 감쇄할 것이다.
본 출원인의 연구에 의하면, SAW가 물방울에 부딪칠 때, 파의 에너지 중 일부가 모드 변환(35)을 통해 물방울에 전해질 것이며, 종파(37)가 물방울을 통해 일주할 수 있다. 초음파 또는 SAW가 물방울에 적용될 때, 물방울은 미세화될 수 있다(automised)(제팅(jetting) 또는 증기화로도 알려져 있음). 흐름(36), 밀어냄 및 미세화를 포함하는 세 개의 전진 단계를 관찰할 수 있다.
물방울의 표면에 대한 접촉각(38)은 SAW가 물방울에 부딪칠 각도에 영향을 미칠 것이다. 이 각도는 θR로 표시하였으며, 앞유리의 표면을 따라 일주하는 레일리 파의 레일리 각도에 관한 것일 수 있다. SAW는 레일리 파 또는 램파일 수 있다. SAW가 램파라면, 이들 파는 안티-대칭 램파 또는 플렉스럴(flexural) 모드에 관한 것일 수 있다. SAW가 물방울에 입사하면, 모드 변환이 일어나 종파가 물방울 내로 투과된다. 모드 변환 및 에너지 전달로 인해, SAW 진폭은 감소하며 "리키(leaky)" 파(43)라고 칭할 수 도 있다. 물방울 내로 투과되는 종파는 흐름이 물방울 내에서 일어나게 하여, 내부 회전 혼합과 일부 캐비테이션(cavitation)이 일어난다. 다음 단계가 물방울의 "밀어냄"에 의해 보여지며, 여기서 이들 물방울은 변환기 또는 IDT 전극에 직각으로 신속하게 움직인다.
도 3b는, 각도를 이루고 기울어지는 도 1a 또는 도 1b의 차량의 앞유리를 도시하는 개략도이며, 이 실시예에서, 각도는 α=34°이다. 본 발명의 일부 실시예에서, 앞유리의 표면은 굴곡이 질 수 있다. 본 출원인의 연구에 의하면, 물방울이 밀려나(40) 표면을 따라 움직일 때, 각각의 물방울은 전방에서 선행 가장자리(41)와 후방에서 후행 가장자리(42)를 갖는다. 선행 가장자리는 후행 가장자리와 상이한 형상을 갖는다. 표면과 물방울의 접촉각은 선행 가장자리와 후행 가장자리가 상이하다. 앞서 논의한 바와 같이, 물방울의 가장자리에서의 접촉각은, 물방울이 있거나 전체에 걸쳐서 움직이고 있는 표면의 표면 처리에 의존한다. 물방울이 기울어진 표면 상에서 움직이는 경우, 물방울은, 편평한 표면 상에서의 물방울의 접촉각과 비교할 때 진행 가장자리와 후행 가장자리에서 표면과의 상이한 접촉각(38)을 가질 것이다. 도시된 바와 같이, 변환기로부터 방출된 SAW는 각도(θR)로 물방울 내에 결합된다. 이 예에서, SAW는 후행 가장자리에서 물방울과 부딪치지만, 다른 SAW는 앞유리의 주변 주위의 상이한 위치로부터 방출됨으로 인해 또는 반사로 인해 선행 가장자리에서 물방울과 부딪칠 수 있다. 선행 가장자리에서 물방울과 부딪치는 다른 SAW는 θR과 상이한 각도로 물방울 내에 결합될 것이다.
도 3c의 예에서, 물방울은 증기화되거나 미세화되는 것(44)으로서 도시한다. 앞유리를 따라 일주하는 SAW는 에너지를 물방울에 전달할 수 있어서, 물방울이 진동하거나 공진(45)하거나 표면을 따라 움직이게 할 수 있다. 충분한 에너지로, 물방울은 공진할 수 있어서, 내부 회전 혼합 및 캐비테이션을 초래하며, 순식간에 많은 더 작은 물방울(46)로 변환되어 미세화될 수 있다. 이처럼, 강수는 앞유리의 표면으로부터 제거 또는 없앤다.
물방울 내의 내압 변화로 인해 물방울 형상은 변화한다. 물방울 형상은, 도 3c에 도시한 바와 같이 SAW가 일주하는 방향을 따라 경사지게(48) 됨으로써 변화한다. 이 도면에서, 물방울은 평평한 표면 상에서 도시하여 SAW가 물방울의 형상에 미치는 효과를 강조한다. 그러나, 다른 실시예에서, 물방울 형상은 표면의 기울기에 의해 영향을 받을 수 도 있다. SAW가 물방울에 적용될 때, 첫째, 물방울은 "흐르게" 되며, 여기서 각각의 물방울의 내부는 회전하며, 이러한 회전은 아마도 캐비테이션에 의해서 초래된 것이다. 둘째, 물방울은 밀려나며, 진동 또는 밀려나 앞유리의 표면에 걸쳐서 움직이는 것을 관찰할 수 있다. SAW 에너지를 적용하면, 물방울은 표면 장력을 극복할 수 있으며 앞유리의 표면을 따라 움직이거나 밀려날 수 있다. 물방울의 밀어냄 방향은 SAW가 일주하는 방향과 동일할 수 있다. 변환기의 구동력은 앞유리의 표면에 걸쳐서 물방울을 효과적으로 밀어내기 위해 증가할 수 있다. "밀어냄" 공정 동안, 물방울은 서로 충돌할 수 있어서 더 큰 물방울을 형성할 수 있으며, 이들의 더 큰 중량과 감소한 표면 장력으로 인해, 물방울은 앞유리에 걸쳐서 더욱 신속하게 움직일 수 있다. 밀어냄 메커니즘은 액체 내부의 공동의 생성 및 붕괴와 관련된 흐름으로 인해서 또는 물방울 내부의 액체의 순환으로부터 일어나는 "거품 활동"(47)으로 인한 것일 수 있다. 셋째, 물방울은 미세화될 수 있으며, 여기서 물방울은 훨씬 더 작은 물방울로 분할된다. 이런 식으로, 강수는 SAW를 사용하여 앞유리로부터 제거할 수 있다.
본 출원인의 연구에 의하면, 각각의 물방울은 다양한 직경의 상이한 크기를 가질 것이므로, 각각의 물방울은 상이한 공진 주파수를 가질 것이며, 주파수 범위 내에서 바람직한 주파수로 진동할 수 있다. 물방울의 공진 주파수와 매칭하는 정확한 주파수를 갖는 SAW와 부딪칠 때, 물방울은 높은 에너지 상태로 공진할 것이다. 각각의 물방울의 공진 주파수와 "일치하기" 위해서, 변환기는 주파수 범위에 걸쳐서 스위핑하도록(sweep through) 구동될 수 있다. 반사파를 포함하여, 앞유리를 통해 일주하는 많은 SAW는 중첩을 통해 결합할 수 있어서, 일부 주파수에서 그 진폭을 국부적으로 증가시킬 수 있다. 변환기의 구동 주파수는 주파수 범위에 걸쳐서 스위핑함으로써 변할 수 있다. 실시예에서, 이러한 동작으로 인해, SAW 주파수는 물방울의 공진 주파수와 "일치할" 수 있다. 이런 식으로, 상이한 크기의 물방울이 증기화될 수 있다. 물방울 크기가 감소함에 따라, 그 내부압은 증가한다. 그러므로 더 큰 물방울보다는 더 작은 물방울을 증기화하기 더 쉬울 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 물방울 크기는 대략 1cm의 직경을 갖는 대략 0.4ml일 수 있다. 물방울 공진이 일어나기 위해, 정수 개의 반파장이 물방울 직경 내에서 맞을 필요가 있을 수 있다. 예컨대, 1cm의 파장을 갖는 SAW와 1cm의 물방울 직경의 경우, 물방울 내에서 맞을 수 있어서 물방울 공진을 초래할 수 있는 SAW의 반파장은 2개가 있을 것이다.
다른 예에서, 강수는 물방울보다는 싸락눈, 눈, 얼음 층 또는 다른 강수일 수 있다. 비와 같은 물방울이 아닌 강수의 경우, 초음파의 적용은 변할 수 있어서, 윈도우로부터 강수를 제거하는 유사한 효과를 달성할 수 있다. 예컨대, 초음파는 겨울 동안 앞유리 위에 형성되는 얼음 또는 서리의 시트를 파괴하는데 사용할 수 있다.
논의한 바와 같이, 강수를 제거하는 공정을 더 개선하기 위해, 앞유리의 외부 표면은 부가적 코팅으로 처리할 수 있다. 도 4는, 앞유리의 표면 상의 부가적 코팅 층(23)이 그 표면 상의 물방울에 미칠 수 있는 효과를 도시하는 개략도이다. 이러한 부가적 코팅은 외부 구역에서 앞유리 표면 상에 위치할 것이다. 예컨대, 외부 표면 상의 부가적 코팅(23)은, 표면 상에 분사하거나 닦음으로써 추가될 수 있는 소수성 코팅(49)일 수 있다. 소수성 코팅은 층 상의 어떤 물방울이 그 표면으로부터 반발하게 하여 소수성 코팅과 물방울의 접촉 영역을 최소화한다. 예시한 실시예에서, 앞유리 상의 소수성 코팅 층이 앞유리 표면으로부터 강수를 없애거나 제거하는 것을 돕는데 선호된다. 소수성 코팅에 걸쳐서 SAW를 방출하는 변환기의 예에서, 물방울과 SAW의 접촉각(θR1)은 클 것이다. 대안적으로, 부가적 코팅(23)은 친수성 코팅(50)일 수 있다. 친수성 코팅(50)이 앞유리의 표면에 적용되었다면, 물방울의 접촉 영역은 훨씬 커질 것이며, 물방울과 SAW의 접촉각(θR2)은 작을 것이다. 앞유리의 표면으로부터 강수를 없애기 위해, 소수성 코팅 층이 친수성 코팅 층보다 선호된다. 물방울과 SAW의 접촉각은 친수성 층보다는 소수성 층이 더 크므로(θR1>θR2), 물방울내로의 SAW의 더욱 효율적인 모드 변환이 있을 수 있으며, 물방울은 앞유리의 표면에 걸쳐서 더욱 효율적으로 밀어낼 수 있다. 소수성 코팅은, 물방울과 앞유리 표면 사이의 접촉각을 변화시킴으로써 표면 장력을 감소시킨다. 앞유리의 표면 위의 공기 흐름 또한 앞유리로부터 강수를 없애는데 도움을 줄 수 있다. 물방울과 표면 사이의 접촉각은 또한 물방울의 점성과 표면의 소재 타입에 의존할 것이다. 예컨대, 물방울이 물이냐 오일인지 또는 표면이 자동차용 유리냐 오토바이 헬멧용 바이저에 사용되는 플라스틱 또는 폴리카보네이트 소재인지에 의존할 것이다.
도 5는 펄스화 모드에서 동작하는 도 1a 내지 도 3b의 변환기를 도시하는 개략도이다. 변환기는 펄스화 모드로 구동될 수 있으며, 이는 예컨대 1/2초 간격으로 파(51)를 펄스화하는 것이 시스템에서의 열의 축적을 감소시키기 때문에 변환기의 온도가 너무 많이 상승하는 것을 정지시킬 것이기 때문이다. 따라서 더 큰 진폭의 입력 신호가 강수를 더욱 신속하게 없앨 수 있다.
주파수 변조는, 효과적이지 않을 수 있는 진폭 변조보다 강수를 더욱 효과적으로 제거하는데 사용될 수 있다. 송신 효율 또한 음파 임피던스 매칭에 의해 최적화할 수 있다.
시스템의 파워 효율은 최적화될 수 있으며, 이는 대략 2/3의 에너지가 열로서 전달 또는 손실될 수 있기 때문이다. 음파 손실은 예컨대 유리 불순물이나 결함에서와 같이 시스템 내의 산란 또는 흡수를 포함할 수 있다. 가열 효과를 방지하기 위해, 윈도우 상의 변환기와 같은 회로와 소재는 임피던스 매칭에 최적화될 수 있다.
도 6은, 구동 회로의 파워 증폭기(14)의 전기 임피던스를 변환기(1 내지 8)의 임피던스와 매칭하는 임피던스 매칭 회로(60)를 개략적으로 도시한다. 이것은 파워 회로나 시스템의 효율을 전체적으로 개선하여 시스템으로부터 에너지의 손실을 감소시킨다. 미스매칭된 임피던스 라인으로부터 일어나는 원치 않는 반사가 있을 수 있다.
다른 임피던스는, 변환기와, 변환기가 본딩되는 표면 사이의 음파 임피던스 차이를 최소화시킴으로써 얻게 되어 매칭될 수 있거나 개선되어 매칭될 수 있다. 안티-반사 코팅이 변환기의 표면 상에 사용될 수 있어서 변환기로부터 이것이 본딩되는 표면으로 초음파의 결합을 향상시킬 수 있다. 변환기 설계는 최적화될 수 있어서 파의 결합을 최대화시키도록 표면 사이의 음파 임피던스 미스매치를 최소화할 수 있다.
두 타입의 변환기 설계는 정사각형 및 원형 변환기 설계에 대해 논의할 것이다. 많은 압전 변환기가 원형 형태로 상업적으로 구매 가능하다. 그러나 원형 설계는 본 출원에서는 유리하지 않으며, 이는 원형 변환기 설계는 모든 방사 방향으로 동일하게 음파 에너지를 방사하기 때문이다. 정사각형 형태가 선호되며, 이는, 이것이 그 전극에 수직인 방향으로 음파 에너지를 방사하기 때문이다. 그러므로, 음파 에너지는 앞유리에 적용하여 강수를 제거하는 동안 더욱 면밀하게 제어할 수 있다. 변환기의 절단 또는 성형은 그 공진 주파수를 변화시킬 수 있다. 예시한 실시예에서, IDT의 전극 핑거 이격 거리는 변환기와 앞유리의 특징에 따라 조정할 수 있다.
도 7a는, 500kHz에서의 동작에 적절한, 도 1a 또는 도 1b의 변환기(1 내지 8)에 대한 하나의 가능한 설계를 위한 실시예를 도시하는 개략도이다. 도시한 변환기는 인터-디지털 변환기(IDT)이다. IDT는 압전 소재로 제조할 수 있거나 전극을 관통하여 절단하고 압전 소재를 절단되지 않고 가능한 한 많이 남겨둠으로써 표준 압전 변환기의 외부 전극을 변경함으로써 제조할 수 있다. IDT는, 가까운 적용에 따라서, 전극 핑거의 이격 거리(71)를 여기될 필요가 있을 수 있는 파의 파장에 매칭시킴으로써 동작하도록 설계된다. 이것은 변환기가 공진하는 주파수에 대응할 수 있다. 이런 식으로, 초음파 주파수에서 SAW를 생성할 수 있는 IDT를 제조할 수 있다. IDT는 효과적으로 튜닝될 수 있어서 앞유리의 외부 유리 층의 물리 상수를 매칭시킬 수 있어서 시스템의 효율을 최적화할 수 있다. 도시한 변환기 설계는, 앞유리 또는 바람막이의 표면으로부터 3mm 미만의 깊이까지 침투하는 파를 발생시킬 수 있다. 이것은 파가 바람막이 내로 3mm의 깊이에 위치한 라미네이트 층으로 인해 댐핑 효과를 겪는 것을 방지할 것이다.
도 7a의 변환기의 경우에, 변환기의 치수를 도시한다. 전극의 치수는 변환기의 동작 주파수를 선택하도록 구체적으로 선택할 수 있다. 이 예에서, 변환기의 직경(72)은 40mm이며, 제1 전극(73)과 제2 전극(74)은 전극 사이에서 4mm의 간격(75)만큼 분리된다. 제2 전극(74)은 11mm 폭인 것으로 도시하며, 15mm인 전극 핑거 이격 거리(71)를 제공한다. 도시한 전극은 500kHz에서 동작한다.
도 7b는, 3mm 두께의 자동차용 유리인 경우에 도 7a에 도시한 실시예의 변환기 설계로부터 방출되는 상이한 타입의 파의 파장을 도시하는 개략도이다. 15mm의 전극 핑거 이격 거리의 경우, 방출되는 램파(76)(또는 레일리 파)의 파장은 대략 7.8mm일 것이며, 종파(77)는 10.8mm일 것이고, 전단파(78)는 대략 7.0mm일 것이다. 방출되는 이들 세 타입의 파의 파장은 이들이 일주하게 될 유리의 3mm 두께보다 클 것이다. 자동차용 유리에서 이들 파의 위상 속도 또는 속력은 잘 알려진 음파 방정식(c=fλ, 여기서, 위상 속도, c = 주파수, f × 파장, λ)을 사용하여 계산할 수 있다. 이 예에서, 램파는 대략 3900미터/초(m/s)로 일주하며, 준-종파는 대략 5400m/s로 일주하며, 전단파는 3500m/s로 일주한다. 전극 핑거의 이격 거리는 램파의 파장의 대강 2배이다. 전극 핑거 이격 거리는 종파의 경우 대략 3/2파장이어서, 종파는 본 발명의 이 특정한 실시예에서는 여기되지 않는다.
도 7c는, 상이한 변환기 설계로부터 방출될 수 있는 파의 타입의 예를 도시한다. 다른 파, 예컨대 레일리 파, 종파 또는 전단파도 방출될 수 있다.
앞유리인 자동차용 유리에서 파의 속도(및 그러므로 파장)는 주파수, 소재 속성(예컨대, 영율, 밀도 또는 프와송 비(Poisson ratio))에 따라 변할 수 있다. 이들 파라미터는 특정한 허용오차 내에서 알려질 수 있거나 실험적으로 측정할 수 있다. 예컨대, 레이저 진동계가 사용될 수 있어서, 변환기 설계의 효율을 개량하고 개선하기 위해 유리 내의 파의 속력의 더욱 정확한 측정치를 얻을 목적으로 시스템의 동작 동안 앞유리 내에서 진동의 공간계를 정확히 결정할 수 있다.
도 8은, 3mm 두께의 자동차용 유리를 통한 파 주파수(81)의 함수로서 각 타입의 파(76 내지 78)의 계산된 위상 속도(80)의 그래프를 도시한다. 이들 계산치는, 파가 일주하고 있는 소재가 다음의 파라미터를 갖는 얇은 판이라는 가정을 기초로 한다: 유리의 두께=3mm; 유리의 영율=70기가파스칼(GPa); 유리의 밀도=2500킬로그램/세제곱미터(kg/m3); 및 유리의 프와송 비=0.23. 도시한 램파는 약간 높을 수 있으며 안티-시매트릭 램파 또는 플렉스럴 모드에 관련된다. 자동차용 유리를 통한 선택된 방향에서의 종파 및 전단파의 위상 속도는 도시한 모든 주파수에서 상대적으로 일정하다(82). 램(또는 레일리)파의 위상 속도는 더 높은 주파수에서는 증가한다(83). 도시한 바와 같이, 전단파 속도는 500kHz에서 램파(또는 레일리 파)의 파 속도와 거의 동일하다. 이것은 앞유리의 표면으로부터 강수를 효율적으로 제거하는데 유리할 수 있다.
일부 정사각형 변환기 설계가 또한 본 발명의 특정 실시예에서 사용되었다. 사용된 정사각형 변환기는 2cm×2cm이며, 티탄산 지르콘산 연(PZT: Lead Zirconate Titanate)과 같은 표준 압전 소재로부터 제조한다. 변환기의 전극을 형성하기 위해, 압전 소재 내에는 홈이 기계적으로 또는 레이저로 절단된다. 전극 모두는 동일한 전기 신호를 사용하여 동시에 동작할 것이다.
도 9a 및 도 9b는, 도 1a 또는 도 1b의 변환기에 사용 가능한 두 개의 정사각형 변환기 설계를 도시한다. 예컨대 대략 1MHz의 주파수에서와 같은 더 높은 주파수에서 동작하도록 설계된 변환기는, 예컨대 대략 500kHz의 주파수에서와 같은 더 낮은 주파수에서 동작하도록 설계된 변환기 - 이 변환기는 더 클 수 있으며 더 긴 파장의 SAW를 생성할 수 있음 - 와 비교하여 더 작을 수 있으며, 더 짧은 파장의 SAW를 생성할 수 있다. 바람직한 동작 주파수는 1MHz일 수 있으며, (원형 설계를 갖는 변환기와 대조적으로) 정사각형 설계를 갖는 변환기를 위한 것일 수 있다. 일부 실시예에서, 변환기의 두께는 수 밀리미터 두께이며, 변환기의 면적이 넓을수록 압전 층은 더 두꺼워진다. 전극 층이 압전 소재의 상부에 있으며, 전극 층은 압전 층보다 훨씬 얇다. 일부 실시예에서, 전극 층은 1mm 두께보다 훨씬 얇은 박막이다. 전극 층은 레이저를 사용하여 절단할수 있거나 기계적으로 절단할 수 있지만, 레이저를 사용한 절단은 기계적인 절단보다 전극 핑거에 더 양호한 마무리를 제공할 수 있으며, 이러한 기계적인 절단은 전극 상에 거칠은 가장자리를 남겨둘 수 있다.
도 9a는, 2cm×2cm의 면적에 대한, (2700m/s의 위상 속도에서 2.7mm의 파장에 대한) 1MHz의 동작 주파수에 대응하는 1.35mm 폭의 전극(91)을 갖는, d=3mm 두께의 압전 소재(90)에 대한 변환기 설계를 도시한다. 이 예에서, 전극(91)은 앞유리 표면에 부착되며, 압전 소재의 절단되지 않은 측이 앞유리로부터 멀리 향한다. 각 전극 핑거 폭은 방출된 파 각각에 대해 음파의 파장의 절반에 대응한다. 다른 유사한 예의 변환기 설계는, (2160m/s의 위상 속도에서 2.16mm의 파장에 대해) 1MHz와 (2160m/s의 위상 속도에서 1.8mm의 파장에 대해) 1.2MHz의 동작 주파수에 대해 각각 1.08mm와 0.9mm의 폭인 전극을 가질 수 있다.
도 9b는 IDT에 대한 대안적인 변환기 설계를 도시한다. 이것은, 도 9b의 좌측에 도시한 바와 같이, 원형 압전 소재(90)(PZT 소재)로부터 제조할 수 있는 정사각형 변환기에 대한 2.8cm×2.8cm 변환기 설계이다. 이 예에서 압전 층은 4mm 두께이다. 이 예에서, 절단된 전극은 앞유리의 표면에 부착되며, 압전층의 다른 측, 즉 절단되지 않은 측은 앞유리로부터 멀리 향한다. 접지 전극은 앞유리의 표면에 부착되지 않고 앞유리로부터 멀리 향할 수 있다. 전극(92) 사이의 간격(93)은 고출력 레이저를 사용하여 절단할 수 있다. 전극은 압전 소재의 상부에 있다. 이 예에서, 전극 사이의 간격은 0.4mm 폭이며, 전극 층에 걸쳐서 정사각형 파형 패턴(95)과 유사하다. 정상부터 바닥까지 전극 층을 통해 절단하면, (2160m/s의 위상 속도에서 4.32mm의 파장에 대해) 500kHz의 동작 주파수로 각각 설계된 두 개의 별도의 변환기 부분을 형성할 것이다. 이 예에서, 간격이 전극 층에 만들어져 두 개의 별도의 전극을 만든다면, 압전 층 내로 절단하지 않고도 얇은 전극 층을 통해 절단하는 것만이 필요할 수 있다. 두 개의 부분으로 된 전극은 서로에게로 끼워질 수 있다. 각 전극은 서로 반대 극성을 갖는다. 전극이 서로에게 끼움으로써 결합될 때, 인접한 전극은 하나의 전극에서 그 다음 전극으로 교대되는 극성(96)을 발생시킨다. 전극은 인접한 또는 다른 전극에 반대로 극성을 가질 수 있어서, 전극 중 하나에 하나의 극성의 신호가 공급되고 다른 전극에는 반대 극성이 공급되게 된다. 변환기 전극에 대해 관찰할 수 있는 물방울 움직임(94)의 예를 도시한다.
기재한 예시적인 변환기 설계는 앞유리 또는 다른 유리 표면 상에서의 강수의 물방울을 증기화할 수 있을 수 있다.
도 3a는 라미네이트 층으로 도시되었지만, 다른 예로, 라미네이트 층은, 오토바이 헬멧 바이저와 같이 항상 존재하지 않을 수 있다. 이 예에서, 바이저는 플라스틱이나 폴리카보네이트 소재로 제조할 수 있다. 이 예에서 바이저로부터 강수를 제거하기 위한 변환기의 선택된 동작 주파수는 앞유리에서 강수를 제거하기 위해 논의한 실시예에서 사용되는 주파수와 동일하지 않을 수 있다. 예컨대, 바이저로부터 강수를 제거하기 위한 일부 실시예에서의 변환기의 주파수는 앞유리로부터 강수를 제거하기 위해 사용된 것보다 낮을 수 있다.
도 10은, 변환기(1 내지 8 또는 31 내지 33)가, 강수 또는 다른 잔류물 또는 소재를 제거하기 위해, 예컨대 오토바이 헬멧이나 다른 헬멧의 바이저와 같은 바이저(30)에 부착되는 본 발명의 실시예를 도시한다. 바이저의 예에서, 변환기는 바이저의 표면에 직접 고정될 수 있으며, (차량의 라미네이트된 앞유리에 관한 실시예에 대한) 앞서 기재한 바와 유사한 방식으로 동작할 수 있으며, SAW가 바이저의 표면에서 강수를 제거하는데 사용된다. 변환기는 구동 시스템(11 내지 15)에 의해 구동할 수 있다. 일부 실시예에서, 변환기는 100kHz 내지 1MHz의 범위 내의 주파수에서 동작하도록 구동된다. 변환기는 전자 배선(35)과 플러그 앤 소켓(36)에 의해 구동 시스템에 연결된다. 변환기는 바이저에 직접 본딩될 수 있거나 바이저의 가장자리 상에 클립되도록 된 탈착 가능한 클립(34)에 본딩될 수 있어서, 손상된 바이저의 변경 또는 교체를 허용할 수 있다. 유사하게, 변환기는, 라이더의 시야를 방해하지 않도록 바이저의 주변 영역에 위치한다. 도시한 바이저는 라미네이트 층을 포함하지 않으며, 그에 따라 SAW를 포함하는 어떤 적절한 파가 강수를 제거하기 위해 사용될 수 있다. 파는, 바이저의 전체 표면을 통해 효과적으로 투과되도록 바이저의 표면 또는 바이저의 윤곽에 결합될 수 있다.
변환기와 구동 시스템이 사용될 수 있는 다른 예는 빗방울 또는 강수의 존재를 검출하는 검출 시스템을 포함하며, 그러므로 강수를 제거하기 위해 이 시스템을 개시한다. 예시적인 검출 시스템에서, 둘 이상의 변환기를 사용할 수 있다. 제1 송신 변환기는 초음파를 제2 수신 변환기에 방출할 수 있다. 수신 변환기는 송신 변환기로부터 수신되는 초음파의 에너지를 감시할 수 있다. 조사 중인 표면 상에 강수가 없을 때 시준이 실행된다면, 수신 변환기에서 수신되는 음파 에너지의 기본 레벨이 있을 것이다. 표면 상에 강수가 존재할 때, 강수는 음파 에너지를 흡수할 것이며, 수신 변환기는 시준되는 기준 레벨 밑으로 수신되며 그러므로 강수의 존재를 나타내는 음파 에너지에서 강하를 관찰할 것이다. 이 시점에서, 앞유리 표면으로부터 강수를 제거하는 초음파 시스템은 스위칭 온될 수 있으며, 초음파 파워는 강수의 심각성에 따라 자동으로 변화될 수 있다. 이런 식으로, 시스템을 동작시키는데 사용하는 변환기는 또한 시스템을 제어하는데 사용될 수 있다.
일부 실시예는 앞유리에서 변환기의 파워 효율을 개선하거나 초음파 에너지를 증가시키는 장점을 제공한다. 시스템은 IDT를 조심스럽게 "튜닝"함으로써 더욱 효과적이고 효율적이게 될 수 있다. 예컨대, IDT 임피던스는 앞유리나 유리에 매칭될 수 있거나, 입력 주파수가 펄스화될 수 있다. 다른 실시예에서, 여러 주파수가, 예컨대 주파수 범위에 걸쳐서 스위핑하거나 주파수 변조를 사용함으로써, 유리 상에서 정상파를 극복하는데 사용될 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 벤딩 파(bending wave) 또는 램파가, 시스템의 효율을 감소시킬 수 있는 방출되는 전단파의 양을 최소화하면서, 물방울의 "흐름" 또는 밀어냄을 유도하는데 더욱 효과적임을 알게 될 수 있다.
다른 실시예는 예컨대 펄스화된 파를 사용함으로써 변환기의 가열을 최소화하는 장점을 제공하며, 이러한 펄스호된 파로 인해, 다시 더 많은 파워가 시스템에 공급될 수 있어서, 앞유리의 더 큰 면적에서 강수가 제거될 수 있다.
IDT 및 SAW의 사용은, 라미네이트 층의 존재에 의해 초래될 수 있는 어떤 댐핑 효과를 최소화하는 장점을 갖는다. 이점은, 바람막이 내의 내부 라미네이트 층이 디라미네이트되게 하지 않으면서도 바람막이 내로부터 물방울을 제거하기 위해 충분한 파워를 제공하는 문제를 최소화할 수 있다.
예시적인 실시예의 다른 장점은, 초음파 변환기가 처리된 표면으로부터 강수를 제거하는데 사용되며 앞유리의 표면에 걸쳐서 볼 수 있게 움직이는 부분이 없으므로, 소수성 코팅이 없애지거나 닦이지 않을 수 있다는 점이다.
본 발명의 실시예는 라미네이트되는 자동차용 앞유리와 바이저에 적용될 뿐만 아니라, 건물의 라미네이트되는 윈도우와 예컨대 선박과 보트와 같은 어떤 다른 상황에서 사용되는 라미네이트되는 윈도우에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예는 또한 라미네이트되지 않은 윈도우에 적용될 수 있다.
상세한 설명은 기재한 원리의 예를 예시하고 기재하기 위해서만 제시되었다. 본 상세한 설명은 배타적이거나 이들 원리를 개시한 어떤 정밀한 형태로 제한하지 않고자 한다. 많은 변경과 변동은 앞선 교훈에 비춰서 가능하다.
스테이트먼츠
(이것은 상세한 설명의 부분을 이룬다)
1. 라미네이트된 앞유리로부터 강수를 제거하는 시스템으로서, 이 장치는:
라미네이트된 앞유리 - 상기 앞유리는 자동차용 유리의 정상 층과 바닥 층 사이에 삽입되는 라미네이트 층을 포함함 - ;
하나 이상의 인터-디지털 변환기; 및
상기 하나 이상의 변환기에 대한 초음파 구동 신호를 생성하는 생성기를 포함하며,
상기 하나 이상의 변환기는 상기 앞유리의 외부 표면에 본딩되고, 상기 생성기에 의해 구동되어 표면 음파를 발생시키며, 상기 표면 음파는 실질적으로 자동차용 유리의 상기 정상 층을 통해서만 전파하는, 강수 제거 시스템.
2. 단락 1에 있어서, 상기 하나 이상의 변환기는 램파 또는 레일리 파를 발생시키도록 배치되는, 강수 제거 시스템.
3. 단락 1에 있어서, 상기 하나 이상의 변환기 각각은 400kHz 내지 1.5MHz의 주파수 범위에서 동작하도록 배치되는, 강수 제거 시스템.
4. 단락 1에 있어서, 상기 생성기는 펄스 생성기를 포함하며, 상기 하나 이상의 변환기가 펄스화된 표면 음파를 발생시키게 하도록 배치되는, 강수 제거 시스템.
5. 단락 1에 있어서, 상기 표면 음파의 모드 변환을 기초로 강수를 초음파 방식으로 밀어내도록 구성되는, 강수 제거 시스템.
6. 단락 1에 있어서, 상기 표면 음파의 모드 변환을 기초로 강수를 초음파 방식으로 증기화하도록 구성되는, 강수 제거 시스템.
7. 단락 1 또는 단락 2에 있어서, 상기 표면 음파가, 상기 앞유리의 표면으로부터 3mm 미만의 깊이까지 자동차용 유리의 상기 정상 층 내로 침투하도록 구성되는, 강수 제거 시스템.
8. 단락 1 또는 단락 2에 있어서, 상기 생성기는, 상기 변환기가 주파수 변조되는 표면 음파를 발생시키게 하도록 배치되는, 강수 제거 시스템.
9. 단락 1에 있어서, 상기 생성기의 임피던스를 상기 하나 이상의 변환기의 임피던스에 매칭하는 임피던스 매칭 회로를 포함하는, 강수 제거 시스템.
10. 단락 1에 있어서, 상기 하나 이상의 변환기는 진공 하에서 형성되는 균일한 본딩 층에 의해 상기 앞유리의 표면에 본딩되는, 강수 제거 시스템.
11. 단락 1 또는 단락 9에 있어서, 상기 본딩 층은, 상기 자동차용 유리의 음파 임피던스와 가까운 음파 임피던스를 갖는, 강수 제거 시스템.
12. 단락 1에 있어서, 상기 앞유리의 표면은 소수성 코팅으로 코팅되는, 강수 제거 시스템.
13. 자동차용 유리의 정상 층과 바닥 층 사이에 삽입되는 라미네이트 층을 포함하는 앞유리로부터 강수를 제거하는 장치로서,
하나 이상의 균일한 본딩 층으로 상기 앞유리에 본딩되는 하나 이상의 인터-디지털 변환기;
매칭하는 임피던스 매칭 회로; 및
상기 하나 이상의 변환기에 전원을 공급하여 표면 음파를 발생시키도록 배치되는 구동 전자장치 - 상기 변환기는, 상기 표면 음파가 자동차용 유리의 상기 정상 층을 통해서만 실질적으로 전파하게 하도록 배치됨 - 를 포함하며,
상기 임피던스 매칭 회로는 상기 구동 전자장치의 출력 임피던스를 상기 하나 이상의 변환기의 입력 임피던스와 매칭하도록 배치되는, 강수 제거 장치.
14. 단락 13에 있어서, 상기 하나 이상의 변환기는 진공 하에서 에폭시 소재에 의해 상기 앞유리에 본딩되는, 강수 제거 장치.
15. 단락 13에 있어서, 상기 표면 음파는 램파 또는 레일리 파인, 강수 제거 장치.
16. 단락 13에 있어서, 상기 하나 이상의 변환기는 400kHz 내지 1.5MHz의 주파수 범위에서 동작하도록 배치되는, 강수 제거 장치.
17. 단락 13에 있어서, 신호 생성기가 상기 하나 이상의 변환기가 주파수 변조된 표면 음파를 발생시키게 하도록 배치되는, 강수 제거 장치.
18. 단락 13에 있어서, 신호 생성기가 펄스 생성기를 포함하며, 상기 하나 이상의 변환기가 펄스화된 표면 음파를 발생시키게 하도록 배치되는, 강수 제거 장치.
19. 단락 13에 있어서, 신호 생성기가 상기 하나 이상의 변환기가 주파수 범위에 걸쳐서 스위핑하게 하도록 배치되는, 강수 제거 장치.
20. 라미네이트된 앞유리로부터 강수를 제거하는 장치로서,
인터-디지털 변환기 - 상기 변환기는 압전 소재와 두 개의 별도의 전극을 포함함 - ; 및
반대 극성으로 상기 두 개의 별도의 전극에 전원을 공급하여 표면 음파를 발생시키도록 배치되는 생성기를 포함하는, 강수 제거 장치.
21. 단락 20에 있어서, 상기 변환기는 400kHz 내지 1.5MHz의 주파수 범위에서 동작하는, 강수 제거 장치.
22. 단락 20에 있어서, 상기 인터-디지털 변환기는, 전극 표면 내로 절단하고 상기 압전 소재를 절단되지 않고 남겨둠으로써 표준 압전 변환기의 외부 전극을 변경하는 것에 기초하여 제조되는, 강수 제거 장치.
23. 단락 20 또는 단락 22에 있어서, 상기 두 개의 전극 사이에서의 핑거의 이격 거리는 15mm이며, 상기 두 개의 전극 사이에는 4mm의 전극 간격이 있으며, 상기 변환기는 500kHz에서 동작하는, 강수 제거 장치.
24. 단락 20에 있어서, 상기 표면 음파는 램파 또는 레일리 파인, 강수 제거 장치.
25. 단락 20에 있어서, 상기 변환기의 입력 임피던스를 상기 생성기의 출력 임피던스에 매칭하는 임피던스 매칭 회로를 포함하는, 강수 제거 장치.
26. 바이저로부터 강수를 제거하는 장치로서,
하나 이상의 인터-디지털 변환기 - 상기 하나 이상의 변환기는 상기 바이저의 표면에 본딩됨 - ; 및
생성기 - 상기 생성기는 표면 음파를 발생시키기 위해 상기 하나 이상의 변환기에 결합됨 - 를 포함하는, 강수 제거 장치.
27. 단락 26에 있어서, 상기 표면 음파는 램파 또는 레일리 파인, 강수 제거 장치.
28. 단락 26에 있어서, 상기 하나 이상의 변환기는 100kHz 내지 1MHz의 주파수 범위에서 동작하는, 강수 제거 장치.
29. 단락 26에 있어서, 상기 바이저는 오토바이 헬멧 바이저인, 강수 제거 장치.
30. 라미네이트된 윈도우로부터 강수를 제거하는 시스템으로서, 상기 장치는:
유리의 정상 측과 바닥 측 사이에 삽입되는 라미네이트 층을 포함하는 라미네이트된 윈도우;
하나 이상의 인터-디지털 변환기; 및
상기 하나 이상의 변환기에 대한 초음파 구동 신호를 생성하는 생성기를 포함하며,
상기 하나 이상의 변환기는 상기 윈도우의 표면에 본딩되고, 상기 생성기에 의해 구동되어 표면 음파를 발생시키며, 상기 표면 음파는 실질적으로 유리의 상기 정상 층을 통해서만 전파하는, 강수 제거 시스템.
31. 윈도우로부터 강수를 제거하는 시스템으로서, 상기 장치는:
윈도우와 하나 이상의 변환기; 및
상기 하나 이상의 변환기에 대한 초음파 구동 신호를 생성하는 생성기를 포함하며,
상기 하나 이상의 변환기는 상기 윈도우의 표면에 고정되고, 상기 생성기에 의해 구동되어 표면 음파를 발생시키며, 상기 표면 음파는 실질적으로 상기 윈도우의 표면 구역을 통해서만 전파하는, 강수 제거 시스템.
32. 임의의 선행하는 단락에 따른 시스템 또는 장치로서,
강수의 존재를 검출하기 위해 상기 변환기 중 하나 이상에 의해 방출되는 초음파를 감지하도록 배치되는 센서를 갖는 제어 시스템; 및
상기 시스템 또는 장치의 동작을 제어하기 위해 상기 센서에 응답하는 제어기를 포함하는, 시스템 또는 장치.

Claims (21)

  1. 윈도우로부터 강수를 제거하는 시스템으로서,
    윈도우;
    하나 이상의 변환기; 및
    상기 하나 이상의 변환기에 대한 초음파 구동 신호를 생성하는 생성기를 포함하며,
    상기 하나 이상의 변환기는 상기 윈도우의 표면에 고정되고, 상기 생성기에 의해 구동되어 표면 음파를 발생시키며, 상기 표면 음파는 실질적으로 상기 윈도우의 표면 구역을 통해서만 전파하는, 강수 제거 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 윈도우는 차량용 앞유리이며, 유리는 자동차용 유리인, 강수 제거 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 윈도우는 유리의 정상 층과 바닥 층 사이에 삽입되는 라미네이트 층을 포함하는 라미네이트된 윈도우이며, 상기 표면 음파는 실질적으로 유리의 상기 정상 층을 통해서만 전파하는, 강수 제거 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 표면 음파는 실질적으로 유리의 상기 정상 층의 표면 구역을 통해서만 전파하는, 강수 제거 시스템.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서, 상기 표면 음파가, 상기 윈도우의 표면으로부터 3mm 미만의 깊이까지 유리의 상기 정상 층 내로 침투하도록 구성되는, 강수 제거 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 하나 이상의 변환기는 하나 이상의 각각의 인터-디지털 변환기인, 강수 제거 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 하나 이상의 변환기는 램파 또는 레일리 파(Lamb waves or Rayleigh waves)를 발생시키도록 배치되는, 강수 제거 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 하나 이상의 변환기 각각은 400kHz 내지 1.5MHz의 주파수 범위에서 동작하도록 배치되는, 강수 제거 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 생성기는 펄스 생성기를 포함하며, 상기 하나 이상의 변환기가 펄스화된 표면 음파를 발생시키게 하도록 배치되는, 강수 제거 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 생성기는 상기 하나 이상의 변환기가 주파수 범위에 걸쳐서 스위핑(sweep through)하게 하도록 배치되는, 강수 제거 시스템.
  11. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서, 상기 생성기는, 상기 변환기가 주파수 변조되는 표면 음파를 발생시키게 하도록 배치되는, 강수 제거 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 표면 음파의 모드 변환을 기초로 강수를 초음파 방식으로 밀어내도록 구성되는, 강수 제거 시스템.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 표면 음파의 모드 변환을 기초로 강수를 초음파 방식으로 증기화하도록 구성되는, 강수 제거 시스템.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 생성기의 임피던스를 상기 하나 이상의 변환기의 임피던스에 매칭시키는 임피던스 매칭 회로를 포함하는, 강수 제거 시스템.
  15. 청구항 1에 있어서, 상기 하나 이상의 변환기는 진공 하에서 형성된 균일한 본딩 층에 의해 상기 윈도우의 표면에 본딩되는, 강수 제거 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 하나 이상의 변환기는 진공 하에서 에폭시 소재에 의해 상기 앞유리에 본딩되는, 강수 제거 시스템.
  17. 청구항 15 또는 청구항 16에 있어서, 상기 본딩 층은 상기 윈도우의 음파 임피던스에 가까운 음파 임피던스를 갖는, 강수 제거 시스템.
  18. 청구항 1에 있어서, 상기 윈도우의 표면은 소수성 코팅으로 코팅되는, 강수 제거 시스템.
  19. 청구항 1 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서, 임피던스 매칭 회로를 포함하며, 상기 회로는 상기 생성기의 출력 임피던스를 상기 하나 이상의 변환기의 입력 임피던스와 매칭시키도록 배치되는, 강수 제거 시스템.
  20. 청구항 1에 있어서, 상기 또는 각각의 변환기는 두 개의 전극 사이에서 15mm인 핑거의 이격 거리를 가지고, 상기 두 개의 전극 사이에는 4mm의 전극 간격이 있으며, 상기 변환기는 500kHz에서 동작하는, 강수 제거 시스템.
  21. 청구항 1 내지 청구항 20 중 어느 한 항에 있어서,
    강수의 존재를 검출하기 위해 상기 변환기 중 하나 이상에 의해 방출되는 초음파를 감지하도록 배치되는 센서를 갖는 제어 시스템; 및
    상기 시스템 또는 장치의 동작을 제어하기 위해 상기 센서에 응답하는 제어기를 포함하는, 강수 제거 시스템.
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