(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
差動容量形水分センサであって、
（ａ）第１及び第２の各一対の容量形電極板間でそれぞれ形成される第１及び第２のコンデンサを有し、前記各一対の容量形電極板は第１の対の値A1とd1及び第２の対の値A2とd2をそれぞれ有し、ここで前記A1とA2はそれぞれ前記の第１及び第２の各一対の容量形電極板の有効面積を示す値であり、前記d1とd2はそれぞれ前記第１及び第２の各一対の容量形電極板の２つの電極板間の有効容量形分離距離ｄを示す値であり、前記第１及び第２のコンデンサは第１の有効比A1/d1及び第２の有効比A2/d2をそれぞれ有し、前記第１及び第２のコンデンサの前記第１の有効比A1/d1及び第２の有効比A2/d2は実質的に等しく、
（ｂ）誘電体厚さと、第１及び第２の表面を有する誘電体を有し、
前記第１及び第２の各一対の容量形電極板は前記誘電体の前記第１の表面に接触し、
前記第１及び第２の各一対の容量形電極板は前記誘電体厚さに対して第１及び第２の比の有効容量形分離距離ｄをそれぞれ有し、
前記誘電体厚さに対する前記第１の比の有効容量形分離距離ｄは、前記第１のコンデンサの電界が前記誘電体の前記第２の表面を越えて延長する程度に充分大きく、
前記誘電体厚さに対する前記第２の比の有効容量形分離距離ｄは、前記第２のコンデンサの静電容量が前記誘電体の前記第２の表面上の水分の存在によって実質的に影響を受けない程度に充分小さく、
そこで前記差動容量形水分センサはドライ状態の下では実質的に等しい第１及び第２のコンデンサの静電容量を有する結果ドライ状態の下では実質的に零のセンサ出力信号になり、前記誘電体の第２の表面上の水分の存在が、前記第１及び第２のコンデンサの静電容量が異なるように前記第１のコンデンサの静電容量に影響するようにしたことを特徴とする差動容量形水分センサ。
【請求項２】
前記第１の一対の容量形電極板は前記誘電体厚さに実質的に等しい第１の値ｄを有し、前記第２の一対の容量形電極板は前記誘電体厚さよりも小さい第２の値ｄを有する請求項１に記載の差動容量形水分センサ。
【請求項３】
更に、
（ａ）第２の誘電体と、
（ｂ）前記容量形電極板及び前記第２の誘電体に平行な平面に設置されたシールド電極とを備え、前記容量形電極板は前記第２の誘電体により前記シールド電極から分離される請求項１に記載の差動容量形水分センサ。
【請求項４】
更に、
（ａ）柔軟な基板を有し、
（ｂ）前記容量形電極板は前記基板上に設けられ、
（ｃ）前記基板はリボン・ケーブルとして作用する延長部を有する請求項１に記載の差動容量形水分センサ。
【請求項５】
第１及び第２の表面を有するガラス窓の第２の表面上の水分を検出するための差動容量形水分センサ・アッセンブリであって、
（ａ）第１及び第２の表面を有する第１のプラスチック・ラミネートと、
（ｂ）前記第１のプラスチック・ラミネートの第１の表面上の少なくとも３つの非基準能動電極板と、
（ｃ）前記第１のプラスチック・ラミネートの第２の表面上にあって指向性を提供する役割をするシールド電極と、
を備え、
前記センサ・アッセンブリは、前記第１のプラスチック・ラミネートの第１の表面を前記ガラス窓の第１の表面に向けた状態で、前記ガラス窓の第１の表面に対して設置され、
前記第１のプラスチック・ラミネートの前記第１の表面上の前記少なくとも３つの非基準能動電極板は第１及び第２の各一対の容量形電極板を提供し、
（ａ）第１及び第２のコンデンサは前記第１及び第２の各一対の容量形電極板間でそれぞれ形成され、前記各一対の容量形電極板は第１の対の値A1とd1及び第２の対の値A2とd2をそれぞれ有し、ここで前記A1とA2はそれぞれ前記の第１及び第２の各一対の容量形電極板の有効面積を示す値であり、前記d1とd2はそれぞれ前記第１及び第２の各一対の容量形電極板の２つの電極板間の有効容量形分離距離ｄを示す値であり、前記第１及び第２のコンデンサは第１の有効比A1/d1及び第２の有効比A2/d2をそれぞれ有し、前記第１及び第２のコンデンサの前記第１の有効比A1/d1及び第２の有効比A2/d2は実質的に等しく、
（ｂ）前記ガラス窓は、誘電体厚さと、第１及び第２の表面を有する誘電体であって、
前記第１及び第２の各一対の容量形電極板は前記誘電体の前記第１の表面に接触し、
前記第１及び第２の各一対の容量形電極板は誘電体厚さに対して第１及び第２の比の有効容量形分離距離ｄをそれぞれ有し、
前記誘電体厚さに対する前記第１の比の有効容量形分離距離ｄは、前記第１のコンデンサの電界が前記誘電体の前記第２の表面を越えて延長する程度に充分大きく、
前記誘電体厚さに対する前記第２の比の有効容量形分離距離は、前記第２のコンデンサの静電容量が前記誘電体の第２の表面上の水分の存在によって実質的に影響されない程度に充分小さく、
そこで前記差動容量形水分センサはドライ状態の下では実質的に等しい第１及び第２のコンデンサの静電容量を有する結果ドライ状態の下では実質的に零のセンサ出力信号になり、前記誘電体の第２の表面上の水分の存在が、前記第１及び第２のコンデンサの静電容量が異なるように前記第１のコンデンサの静電容量に影響するようにしたことを特徴とする差動容量形水分センサ・アッセンブリ。
【請求項６】
前記ガラス窓は更に、
第１及び第２のガラス・ラミネートを備え、前記第１及び第２のガラス・ラミネートの各々はそれぞれ第１及び第２の誘電体であって、第１の表面と第２の表面を有し、前記第１及び第２のガラス・ラミネートの前記第１の表面は相互に対向して配置され、
前記第１のプラスチック・ラミネートは前記第１ガラス・ラミネートと前記第２のガラス・ラミネートとの間でサンドイッチされ、
（ａ）前記センサ・アッセンブリは前記第１のガラス・ラミネートの前記第１の表面に対して設置され、
（ｂ）前記第１のプラスチック・ラミネートの前記第１の表面は前記第１のガラス・ラミネートの前記第１の表面に対向して位置する、
請求項５に記載の差動容量形水分センサ・アッセンブリ。
【請求項７】
第１及び第２の表面を有する誘電体の第２の表面の氷の存在を検出する方法であって、
（ａ）差動容量形水分センサを提供し、該センサは、
（１）第１及び第２の各一対の容量形電極板間でそれぞれ形成される第１及び第２のコンデンサを有し、前記各一対の容量形電極板は第１の対の値A1とd1及び第２の対の値A2とd2をそれぞれ有し、ここで前記A1とA2はそれぞれ前記の第１及び第２の各一対の容量形電極板の有効面積を示す値であり、前記d1とd2はそれぞれ前記第１及び第２の各一対の容量形電極板の２つの電極板間の有効容量形分離距離ｄを示す値であり、前記第１及び第２のコンデンサは第１の有効比A1/d1及び第２の有効比A2/d2をそれぞれ有し、前記第１及び第２のコンデンサの前記第１の有効比A1/d1及び第２の有効比A2/d2は実質的に等しく、
（２）誘電体厚さと、第１及び第２の表面を有する誘電体を有し、
前記第１及び第２の各一対の容量形電極板は前記誘電体の前記第１の表面に接触し、
前記第１及び第２の各一対の容量形電極板は前記誘電体厚さに対して第１及び第２の比の有効容量形分離距離ｄをそれぞれ有し、
前記誘電体厚さに対する前記第１の比の有効容量形分離距離ｄは、前記第１のコンデンサの電界が前記誘電体の前記第２の表面を越えて延長する程度に充分大きく、
前記誘電体厚さに対する前記第２の比の有効容量形分離距離は、前記第２のコンデンサの静電容量が前記誘電体の第２の表面上の水分の存在によって実質的に影響されない程度に充分小さく、
そこで前記差動容量形水分センサはドライ状態の下では実質的に等しい第１及び第２のコンデンサの静電容量を有する結果ドライ状態の下では実質的に零のセンサ出力信号になり、前記誘電体の第２の表面上の水分の存在が、前記第１及び第２のコンデンサの静電容量が異なるように前記第１のコンデンサの静電容量に影響するようにするものであり、前記センサは、
（ｂ）前記水分センサを少なくとも２つの周波数の交流で交互に励起し、
（ｃ）前記各周波数において前記容量形水分センサの交流信号出力を検出し、前記各周波数において前記センサを介して結合する信号を示す直流出力を発生させ、及び
（ｄ）氷が前記誘電体の第２の表面にあるか否かを決定するために前記直流出力を処理することを特徴とする方法。
【請求項８】
第１及び第２の表面を有する誘電体の第２の表面の氷の存在を検出する装置であって、
（１）差動容量形水分センサは、
（ａ）第１及び第２の一対の容量形電極板間でそれぞれ形成される第１及び第２のコンデンサを有し、前記各一対の容量形電極板は第１の対の値A1とd1及び第２の対の値A2とd2をそれぞれ有し、ここで前記A1とA2はそれぞれ前記の第１及び第２の各一対の容量形電極板の有効面積を示す値であり、前記d1とd2はそれぞれ前記第１及び第２の各一対の容量形電極板の２つの電極板間の有効容量形分離距離ｄを示す値であり、前記第１及び第２のコンデンサは第１の有効比A1/d1及び第２の有効比A2/d2をそれぞれ有し、前記第１及び第２のコンデンサの前記第１の有効比A1/d1及び第２の有効比A2/d2は実質的に等しく、
（ｂ）誘電体厚さと、第１及び第２の表面を有する誘電体を有し、
前記第１及び第２の各一対の容量形電極板は前記誘電体の前記第１の表面に接触し、
前記第１及び第２の各一対の容量形電極板は前記誘電体厚さに対して第１及び第２の比の有効容量形分離距離ｄをそれぞれ有し、
前記誘電体厚さに対する前記第１の比の有効容量形分離距離ｄは、前記第１のコンデンサの電界が前記誘電体の前記第２の表面を越えて延長する程度に充分大きく、
前記誘電体厚さに対する前記第２の比の有効容量形分離距離は、前記第２のコンデンサの静電容量が前記誘電体の前記第２の表面上の水分の存在によって実質的に影響されない程度に充分小さく、
そこで前記差動容量形水分センサはドライ状態の下では実質的に等しい第１及び第２のコンデンサの静電容量を有する結果ドライ状態の下では実質的に零のセンサ出力信号になり、前記誘電体の前記第２の表面上の水分の存在が、前記第１及び第２のコンデンサの静電容量が異なるように前記第１のコンデンサの静電容量に影響するようにされたセンサであり、
（２）計測手段は、
（ａ）前記水分センサを励起するための２つの出力周波数を提供する複周波数発振器であって、前記各２つの出力周波数において前記センサは水分出力信号を提供する複周波数発振器と、
（ｂ）前記複周波数発振器を制御するための低周波数クロック出力を提供するクロック発振器と、
（ｃ）前記２つの出力周波数の各々にて前記水分出力信号を同期的に検出して交流、単一極性、２レベルの第１ミキサー出力信号を提供する第１のミキサーと、
（ｄ）前記低周波数クロック出力に関連して前記第１のミキサーの出力信号を同期的に検出して前記第１のミキサーの出力信号を実質的に直流、接地された基準の第２ミキサー出力信号に変換する第２のミキサーと、
（ｅ）前記２つの出力周波数の各々における前記各水分出力信号に対応する前記第２のミキサー出力信号に基づいて氷があるか否かを決定するプロセッサと、を含む計測手段である、
ことを特徴とする装置。
【請求項９】
第１及び第２の表面を有する誘電体の第２の表面の氷の存在を検出する装置であって、
（ａ）差動容量形水分センサを備え、該容量形水分センサは、
（１）第１及び第２の各一対の容量形電極板間でそれぞれ形成される第１及び第２のコンデンサを有し、前記各一対の容量形電極板は第１の対の値A1とd1及び第２の対の値A2とd2をそれぞれ有し、ここで前記A1とA2はそれぞれ前記の第１及び第２の各一対の容量形電極板の有効面積を示す値であり、前記d1とd2はそれぞれ前記第１及び第２の各一対の容量形電極板の２つの電極板間の有効容量形分離距離ｄを示す値であり、前記第１及び第２のコンデンサは第１の有効比A1/d1及び第２の有効比A2/d2をそれぞれ有し、前記第１及び第２のコンデンサの前記第１の有効比A1/d1及び第２の有効比A2/d2は実質的に等しく、
（２）誘電体厚さと、第１及び第２の表面を有する誘電体を有し、
前記第１及び第２の各一対の容量形電極板は前記誘電体の前記第１の表面に接触し、
前記第１及び第２の各一対の容量形電極板は前記誘電体厚さに対して第１及び第２の比の有効容量形分離距離ｄをそれぞれ有し、
前記誘電体厚さに対する前記第１の比の有効容量形分離距離ｄは、前記第１のコンデンサの電界が前記誘電体の前記第２の表面を越えて延長する程度に充分に大きく、
前記誘電体厚さに対する前記第２の比の有効容量形分離距離は、前記第２のコンデンサの静電容量が前記誘電体の前記第２の表面上の水分の存在によって実質的に影響されない程度に充分に小さく、
そこで前記差動容量形水分センサはドライ状態の下では実質的に等しい第１及び第２のコンデンサの静電容量を有する結果ドライ状態の下では実質的に零のセンサ出力信号を有して、前記誘電体の前記第２の表面上の水分の存在が、前記第１及び第２のコンデンサの静電容量が異なるように前記第１のコンデンサの静電容量に影響するようにし、
前記容量形水分センサは少なくとも２つの励起周波数により励起し、
前記容量形水分センサは各前記励起周波数において水分出力信号を提供し、
（ｂ）前記容量形水分センサを励起するための少なくとも前記２つの励起周波数をそれぞれ提供する少なくとも２つの発振器と、
（ｃ）前記各励起周波数にて前記各水分出力信号を同期的に検出するミキサーであって、各々が前記各励起周波数における前記各水分出力信号に対応する直流出力を提供する少なくとも２つのミキサーと、
（ｄ）前記各励起周波数における前記各水分出力信号に対応する前記直流出力に基いて氷があるか否かを決定するプロセッサとを有することを特徴とする装置。
【請求項１０】
前記容量形電極板は実質的に透明な薄い導電フィルムを基板上で付着することで形成された請求項１に記載の差動容量形水分センサ。
【発明の詳細な説明】
発明の分野及び背景
本発明は水分検出センサに関し、特に自動車のウインドシールド（windshield）の水分の検出に適した水分検出センサに関するものである。この装置は差動容量形水分検出の原理に基いて動作するもので、以下に記載するように高感度の検出センサであり、更に指向性を有して窓ガラスの表面全体の水分を選択的に検出することができる従来技術にはない特徴を有する発明である。従来技術の自動車のウインドシールドの水分検出センサは大型で目障りであり且つ高価な電子光学的な水分検出センサであって、検出範囲が限定され、同時に高価で、装着には場所的な問題があり、また従来の容量形水分検出センサは応力及びウインドシールドの範囲内の温度変化により水分信号と通常遭遇するバックグラウンド参照信号の変化とを識別することができなかった。
上記の電子光学的な水分検出センサの特定の問題を解決するために種々の試みがなされてきた。これらは片側容量形水分検出センサの範疇のものであって、２つの検出電極の間で静電容量を変化させることでこの電極間の領域の水分の存在に応答して動作する。これらは上記したように基準信号と水分信号との識別に問題があり、上述したように「ドライな（dry−）」状態のバックグラウンド基準信号が大きいがために雨が降ってもこの信号レベルの変化が小さいからである。従って、雨を知らせる出力の変化が通常遭遇する基準参照信号の変化に匹敵するものとなって水分の存在に関して誤信号や無表示信号を発生する。更に従来技術の容量形水分検出センサの短所は、ウインドシールドの外側と内側の水分を識別できないために、これをワイパー・コントローラとして、又は曇り除去器として、又は霜除センサとして使用できないことであった。このような理由で容量形水分検出センサは実用的でなく、現在のところ自動車市場において広く使用されていない。
更に詳しく説明すると、従来技術においては電子光学的水分検出センサは、最も一般的には前方ウインドシールドのガラス・空気インタフェースからの全体の内部反射光線の変化を検出することにより水滴を検出する。このタイプの典型的なセンサは米国特許4,859,867号に記載されている。電子光学的水分検出センサには幾つかの短所がある。即ち、
・  ウインドシールドの内側に装着されて目立つこと。
・  適切に動作するには装着状態が機構的に安定していること。
・  外部光に反応し易いこと。
・  相対的に高価であることこと。
である。
ウインドシールド表面の水分を検出する別の方法は相対的に大きい水の誘電率電極（約80）に基くものであり、これはウインドシールドに設置された一組の導電性の透明電極の間の静電容量に作用する。この方法におけるセンサは、ウインドシールドと一体的で比較的安価で目立たない。このような２つのセンサは米国特許4,805,070号及び4,831,493号に記載されている。これらの特許においては、ウインドシールドの外側表面には導電性のコーティングが施されている。これの短所はワイパーの運動と空気によって運ばれる粒子の組合せ作用による磨滅を被ることである。別の方法は導電電極を「サンドイッチ」式窓ガラスのフロント・ラミネートの内側に設置して、導電性コーティングを保護することである。このタイプの典型的な水分センサは、米国特許4,730,237号、米国特許4,827,198号、米国特許4,613,802号、及び米国特許4,554,493号に記載されており、そこでは水滴の容量効果が共鳴回路の共鳴周波数を変化させる。すべての従来技術の容量形水分検出センサにおいては誘電ガラス層がコンデンサ電極板を水滴検出面から分離しているが、水滴による静電容量の相対変化は非常に小さい。この容量水分検出装置は米国特許3,826,979号に記載されており、その目的とするところは寄生容量性結合（ドライな状態）の遮蔽部で静電容量の固定要素を縮小してドライな基準バックグラウンド信号レベルを縮小することである。しかしながらこの改善は、残りの「ドライな」静電容量が水分により誘導される静電容量の増大に関連して存在するので、部分的なものに過ぎない。更に問題なのは、この「ドライな」静電容量自体が安定したものではないことであり、それは特に内部のプラスチック層のゆがみ、すなわち温度及び機械的要因の応力によるウインドシールドの面積の変化に帰因するものである。この結果、表面水分による信号は静電容量の変化による誤信号と事実上識別できない。従って、この種の容量形ウインドシールド水分検出センサの信頼性は乏しい。
更に従来技術の容量形水分検出センサの短所はこれが非指向性であることであり、また即ち、ウインドシールドの両面の水分に対する感度が問題なのであり、即ち、ウインドシールドの外面の水分と内側の結露とを識別しないことである。同様に、これらは、車両の内部では近接する対象を感知するが、これはドライバーが内側面に蓄積した結露を手でふき取るようなことと同じである。
このように、一般に容量形ウインドシールド水分検出センサは一方で感度と安定性を欠き、他方で非指向性であるという短所を有する。これが電子光学的ウインドシールド水分検出センサのみが市場で成功を納めてきた理由である。
従って、自動車のウインドシールドに適用でき、安価で高感度、経年及び温度に対しても安定し、ドライバーにとっても目障りでなく、装着位置が自在で、「指向性」、即ち、ウインドシールドの片側においてみの水分を選択的に感知する改善された水分検出センサを有することは大きな利点であり、それらの必要性が広く認識されてきている。
発明の要約
本発明に基いて、自動車のウインドシールドの水分検出センサが提供されている。
本発明の好ましい実施形態におけるさらなる特徴に基いて、指向性のウインドシールドの水分検出センサが提供されている。
別の実施形態に基いて、ウインドシールドの構造と一体的に製造された一対の指向性水分検出センサが提供されている。
別の実施形態に基いて、水分センサに関連して雪又は氷と雨又はウインドシールドの内側でよく見られる「曇り」結露とを識別できる温度センサが提供されている。
別の実施形態に基いて、水分検出センサがウインドシールドの電気加熱層と一体的に製造されている。
別の実施形態に基いて、別個に製造可能な水分検出センサが提供されており、これは従来のウインドシールドに装着するのに適している。
本発明は容量形水分検出センサを提供することにより現在知られている形態のものの短所を適切に除去する。
本発明は自動車のウインドシールドの水分検出の問題を解決する新規な、指向性を有する、差動の容量形水分検出センサを開示する。
特に本発明の指向性を有する差動の容量形水分検出センサは、安価でドライバーにとって目障りでなく、ワイピング範囲に設置することができ、磨耗による疲労がなく、経年、ウインドシールドの面積の応力及び温度作用に対して安定性があり、ウインドシールドの片側面のみの水分に反応し、ウインドシールドの反対面又はこれに近い部分の水分及び導電対象には反応しない。また、この水分検出センサは、小領域におけるサンプル水分のみに焦点を当てることができる電子光学的水分検出センサとは違って大きな面積に渡って水分を検出することができる。
本発明の水分検出センサの１「ユニット」は、別個に製造される付加装置として、或いは一体的に製造される装置としてウインドシールドに「装着」することができ、窓の外側面の水分を監視することにより雨を検出することができる。上気したように、温度センサを備えると非氷結雨と雪、みぞれ、氷、氷結雨等の氷結下降物体を識別することができ、ウインドシールドを加熱しワイパーを動作させることができる。第２のユニットを対向する位置に「装着」して、温度センサに関連してブロワー用の空気源の温度を制御し、ブロワー、又はブロワーとヒーターを制御して窓内側面の「曇り取り」又は「霜取り」をすることができる。一対の水分センサをウインドシールド、温度センサ及びヒーター要素と一体的に製造することができる。又付加ユニットは予備製品として現存の車両に装備しておくことができる。
改善された差動容量形水分検出センサは、等しいドライ静電容量を有しているが、異った水分感度を有し、単極出力信号を提供する。
更に、本発明の目的は、固体相の水（氷）と液体相の水とを識別する方法及び装置を提供することである。
【図面の簡単な説明】
図1Aは、指向性差動容量形水分センサを示す図である。
図1Bは、励起及び検出電子装置の一形態を備えた図1Aの指向性差動容量形水分センサを示す図である。
図1Cは、図1A、1Bのセンサの略図である。
図1Dは、単体のセンサを示す図である。
図2Aは、修正された指向性差動容量形水分センサを示す図である。
図2Bは、別の励起及び検出電子装置の形態を備えた図2Aの修正された指向性差動容量形水分センサを示す図である。
図2Cは、図2A、2Bの略図である。
図3Aは、図1Aのセンサの別修正を示す図である。
図3Bは、図1Aの電子装置を備えた図3Aのセンサを示す図である。
図4Aは、図1Aと同じもので、ウインドシールドの両面を検出するように装着される一対のセンサを示す図である。
図4Bは、一対の単体センサを示す図である。
図５は、温度検出要素を備えた電極パターンの実例を示す図である。
図6Aは、図1Aの有益な方法における一対のユニット・センサの接続図である。
図6Bは、図6Aを単純化した図である。
図7Aは、図2Aのものを修正したセンサを示す図である。
図7Bは、図7Aのセンサの回路図である。
図８は、図2Cに一対の増幅器を加えた図である。
図9Aは、図1Aのものの修正センサを示す図である。
図9Bは、図9Aのセンサの電子回路図である。
図10Aは、等しいドライ静電容量で異った水分感度を有する差動水分センサを示す図である。
図10Bは、励起及び検出電子装置の一形態を備えた図10Aのセンサを示す図である。
図10Cは、図10Aのセンサのパターンを示す図である。
図11Aは、氷の誘電率対周波数を温度をパラメータとして示すハンドブックプロット図である。
図11Bは、氷センサシステムのブロック図である。
図11Cは、氷検出電子装置における信号を示す図である。
図11Dは、遠隔天候検出パッケージを示す図である。
図12は、他の氷・センサを具現化したブロック図である。
発明の詳細な説明
本発明は指向性差動容量形水分センサに関し、自動車のウインドシールドと一体的に製造可能な、又は付加装置として製造可能なセンサに関するものである。
特に、本発明はウインドシールド上の種々のタイプの水分を検出してそれらを識別するために使用することができ、ワイパー、ヒーター、及びブロワーを制御してワイパーを動作させて氷結の除去、曇り取り及び霜取りを行い、ドライバーの視覚を回復、維持することができる。
本発明の指向性差動容量形水分センサの原理及び動作は、添付の図面及び以下の説明からよく理解することができる。
図面を参照して、図1Aは最も単純な指向性差動容量形水分センサの「ユニット」を示す。
図1Aの実施形態は自動車のウインドシールドと一体的に製造される水分センサを示す。このウインドシールドは積層「サンドイッチ・ガラス」で構成されており、２枚のガラス16、17がプラスチック・ラミネート層18により分離されて電極12、13、14がガラス・ラミネート層16の下方面に配置され、電極15はガラス・ラミネート層17の上方面に配置されている。この構成は、どの面の電極も相互に実質的に同一面にあって、すべてのガラス・ラミネートの面に平行である。
便宜上、層16を外側層、層17を内側層として外側ガラス・ラミネート面30と内側ガラス・ラミネート面31の水分の効果について説明する。本発明のこの最も単純な水分センサ「ユニット」は以下に説明する３つの「アクティブ」な、即ち、接地されていない電極で構成されている。注目すべきことは、米国特許3,826,979号の３電極の容量形検出装置はその中心極板が接地されているので、これは本発明の範疇には属さない。
基本的な容量形水分センサは図1Aの検出領域32の水滴19のような、検出領域における水分により静電容量の変化を示す。水は、空気が約１に対して約80の誘電率を有し、コンデンサの静電容量はその電極板間の誘電率に比例するが故に、電極対12と13及び13と14のそれぞれの間の検出領域32、33における水分の増加は対応する電極対間の静電容量の増加となる。検出領域32、33の水分の増加が一定であれば、この２つの静電容量の増加は同じである。図1Bにおけるようにバランスされ、同じ周波数及び振幅であり、180度位相を異にした励起が電極12、14に付与され、その間隔は同じであり、このサンドイッチ・ガラスは一定であれば、この時、表面30の検出領域32、33の両方がドライ又は均一に湿った状態のとき、電極13の容量結合信号電圧は同一となり、正確な静電容量値と独立した、同じ静電容量を通じて結合されているので全体が実質的に零となる。
本発明は、２つの検出領域32、33における水分は長時間に渡ると同等となるが、瞬時的には同等ではないという発明者の認識に基くものである。従って、瞬時的にはこの２つの検出領域の水分は非対称であり、対応する瞬時的静電容量は不均衡となり、対応する不均衡信号の結合が電極13に付与されて、最終的に零でない検出可能な不均衡信号が端子13で水分の存在を知らせる。瞬時的には、どの側の水分が多いのか判らないので、この不均衡信号の極性は判らない。しかしながら、実際の水分検出器は検出電子装置であるので、「絶対値」回路を設けることでどの極性が不均衡であるか検出することができる。
これは差動センサであるが故に、この実施例において基板である窓ガラスのサンドイッチ・ガラスの寸法上の変化には反応しない。応力又は温度による膨張又は縮小は、両方の検出領域の容積、特に厚さに影響を及ぼすが、両方の検出領域もほぼ同じであるので間違った水分を表示することはない。この特徴はセンサが差動且つ、検出領域の容積変化が一定であるからであり、これが従来技術の片側非差動容量形水分センサに勝る利点である。
更にこの差動容量形水分センサは実際の回路アップリケーションにおいて従来技術の片側センサよりも感度が高い。従来の片側センサは零でない基準「ドライ」信号出力で動作する。この基準信号の変化は水分の存在を検出するために検出されねばならない。このようなな変化は小さなもので、基板の容積変化による変化は水分信号に匹敵する振幅のものであるので、従来技術の片側センサは実用的ではない。一方、この差動水分センサは実質零の基準信号を有するので、水分信号は直ちに大きくなり容易に検出され、またセンサの対称性から基板の容積変化は均等なので、基板の容積変化による誤信号がない。このような理由で、この差動水分センサは従来技術の片側センサよりも遥かに感度が高い。
指向性、即ち、基板の一面のみの水分に対する感度は、図1Aにおけるシールド電極15により提供される。このシールド電極は電子システムのアースに接続されて電極対12及び13と13及び14を表面31の領域320と330からそれぞれ絶縁しており、さもないとこれらの領域は表面30の領域32、33と同様に検出領域となってしまう。このようにして基板の一面のみの水分に対する指向性、感度が提供され、これは自動車のウインドシールドアプリケーションにおいては、一般にその他センサ・アプリケーションと同様望ましいものである。
このウインドシールド水分センサの装着の自由度は、電極に、例えば、ウインドシールドを電気的に加熱するために使用されるインジウム・スズ酸化物のような透明な導電材料のフィルム・コーティングを真空蒸着することで提供される。このような透明な材料は水分センサをウインドシールドのワイピング領域に置くことを可能とする。これが望ましい理由は、ワイピング動作が水分をウインドシールドの検出領域から迅速に除去し、雨がやむとワイパーの動作を速やかに止めるからである。
この水分センサをウインドシールドの内側の結露を検出するために使用する場合、自動車の設計者は水分センサの設置位置として、例えば、「曇り取り」が完全になされた後にブロワー及びヒーターがオフとなるような位置を望むのでまた装着自由度が重要となる。これは自動車の設計者が車両内の空気の流れを知っているからである。注目すべきことは、この指向性差動容量形ウインドシールド水分センサは、ウインドシールドの内側でも実際に水分検出を行えることである。予め電子光学的水分センサをウインドシールドの外側に装着して、ウインドシールドの内側に焦点を合わせることが必要である。
本発明の一対の水分センサは図4Aに示されており、それぞれの１つのセンサがウインドシールドの表面の外側と内側の水分を検出する構成が図示されている。
先に述べたように、付属の温度センサにも水分センサ電極に施したと同様の真空蒸着の薄いフィルムを施すことができる。これは従来からなされているもので、温度センサ要素として長くて薄いパターン、例えば、図５の要素51として示すように「へび」形で任意の電極形状を有する。この要素の抵抗は温度の関数として監視される。
図1Aの差動センサのための電子装置は図1Bに示されている。このセンサの電気的略図は図1Cにも示されている。これは説明の手段であって唯一の実現可能な手段ではない。このシステムは先に述べたように180度位相を異ならせた励起源10、11と駆動電極12、14を含み、これら駆動電極は検出電極13の両側でこれから等距離に位置して純粋に「ドライ」状態の零値基準信号を電極13に提供する。励起源への帰路及び電極13の出力を測定する基準電圧はこのシステムの「アース」である。シールド電極もシステム・アースに接続されている。電極13に現れる信号は、検出領域32、33において水滴19によって表される水分が非対称の場合には、片側反転トランスインピーダンス「電荷（charge）」増幅器20において増幅され、励起源の１つ、ここでは11の出力で倍率器22における乗算により同期的に復調される。この倍率器の出力は励起周波数キャリアを除去するためにローパスフィルター・ブロック23でローパスフィルター処理される。ローパスフィルター処理された時間変更「直流」レベルは次いで、水分検出レベル入力25を有する電圧比較器に印加される前に、絶対値増幅器回路24で全波整流される。この検出電子装置は非信号キャリア波周波数干渉とは無縁で、相対的にシンプル且つ安価で、本発明の水分センサで使用される。別の形態とすることもできる。この電子装置はその機能の交替による電極の形状の変化又は電極の接続に合わせてその形態を変更することができる。参考として、電荷増加器は特定のタイプのトランスインピーダンス増幅器であって、そのフィードバック要素は理想的に純粋な静電容量であるため、純粋な容量源インピーダンスで、フィードバックの比率により電圧利得が信号源の内部コンデンサに与えられて反転される。
別の形態が図2A及び2Bに示され、及び2Cにて略図で示されている。図2A及び2Bの要素で、図1A及び1Bのものと同じ機能の要素には同じ番号が付されている。図1A及び1Bの電極13の機能は、２つの励起電極12、14を備えた単一の検出電極である。しかしここでは、130は単一の励起電極で、電極120及び140は「真差動（true−differential）」出力電極対である。ここで、このセンサはシールド接地電極板15を備え、この電極は励起のための帰路電極として作用するが故にこのセンサの指向特性を提供する。このセンサは４つの静電容量脚を有するブリッジとして機能する。この２つの静電容量は能動電極対130と120及び130と140であって、前と同じように検出領域32と33にそれぞれ対応している。しかしながら、検出電極120から接地電極板15への静電容量と検出電極140から接地電極板15への静電容量は、このブリッジのための２つの基準コンデンサを提供する。これら２つの静電容量はこれらの誘電体としてのプラスチック・ラミネートに依存する。図1Bの片側入力トランスインピーダンス電荷増幅器20は、図2Bの差動入力電圧増幅器200と置換されている。これは公知の計器増幅器として認識することができる。この「レシーバー（receiver）」電子装置のその他の部分は同じである。また２つの接地「ガード（guard）」電極21が検出電極120、140の外側に設けられてこれら検出電極を基質の底部から遮蔽しており、電極15が、検出電極12、14の外側縁部を越えて延長することはない。代りにこれらガード電極は近接する検出電極に対してバッファ増幅器でブートストラップ（booststrapped）とすることができる。単一の励起源36もまた倍率器／復調器の基準入力信号を提供する。この水分センサの機能は先のものと同じであるが、信号出力は異なっているが、それは電極の機能が交替されて検出電極の変更を要するからである。図1A、1Bの装置に勝るこの装置の１つの利点は、差動入力増幅器200が片側入力増幅器20よりも無線周波数干渉（REI）に対する感度が低いことである。更に、図1A、1Bの装置に勝るこの装置の１つの利点は、水分信号が非常に大きい場合に見られる。付加的非差動マグニチュード表示を提供するために付加回路において電極120、140にその信号を付加したい状態があるからである。
図3A及び3Bには別の形態が示されている。ここでは図1A、1Bの水分センサ及び電子装置の修正例が示されており、検出領域32、33の下方で、接地されたシールド電極41、42が電極対12と13及び14と13の間にそれぞれ追加されて設けられている。これらシールド電極は検出領域32、33の下方の電極対の近接縁部間の結合を縮小し、非常に小さい非水分の「ドライ」状態「オフセット」基準信号を低減して、検出電極13に信号を提供する上で検出領域32、33を介する結合の重要性を増大する。実際には電極41、42は、電極13をを取り囲むガードリング（guard ring）とすべきで、２つの別個の導体ストリップとすべきではない。このガードリングは「ブートストラップ」構成とすることができ、即ち、入力が電極13に接続されたボルテージホロワ出力で駆動されるようにすることができる。これはこのガードリングを単に接地すること以上に効果的な静電容量低減技術である。図3A及び3B並びに図1A、1Bのシールド電極15もブートストラップ構成とすることができる。そうでなければ、図1A及び3Aにあり、図1Cへ言及される電極15のブートストラップ構成に関連して、検出電極13の信号に容量分割が生じることからこのブートストラップ構成はトランスインピーダンス「電荷」増幅器20が電圧増幅器と置換された場合に有益である。この電気的略図は電極12、13、14への接続をそれぞれ示す交点112、113、114と電極板15への接続に対応する交点115を示す。電極板13及び交点113から電極板15及び交点115へは寄生静電容量がある。この静電容量は電極板15及び交点115に対して電圧分割器を形成し、電極板15及び交点115が接地されると、電極板13及び交点113上にある増幅器20への入力信号を弱める。しかし電極板15及び交点115が電極板13及び交点113に対してバッファ増幅器（1115、図1D）でブートストラップ構成となっていれば、交点113及び115の電圧は同等となり、容量分割作用は生じることがなく、交点113の最大限の信号が電極板13により増幅器20に提供される。
図6Aには別の形態が示され、図6Bにおいて単純化されて示されている。この合成センサは図1Aのタイプの２つのユニットセンサの組合せである。図1Aのユニット・センサにおいては、応力が基板に作用して、例えば、電極対12と13及び13と14間の距離が膨張すると、領域32、33における水分検出感度がそれぞれ変化する。一定の膨張、即ち、この２つの電極対の分離の増加が一定であれば、センサは均衡を維持して誤信号を生じることはない。しかしながら、勾配のある不均一の膨張でこれらの対の一対間の分離が他方対間の分離よりも大きくなると、誤信号が発生する。図6A及び6Bの形態は２つのユニット・センサを勾配膨張が解消されるように接続することでこの問題を解決するものである。図6Aに関して、電極612、622は図1Aの電極12に対応し、電極613、623は図1Aの電極13に対応し、電極614、624は図1Aの電極14に対応する。従って、電極対612と613及び622と623間の検出領域の水分による信号出力は相互に加算され、電極対613と614及び623と624間の検出領域の水分による信号出力も相互に加算される。これら加算された水分信号出力対間の差は上記に説明した水分の存在の表示である。このセンサの膨張が一定で４つのすべての間隔ａ、ｂ、ｃ、ｄの増大が一定であれば、このセンサは均衡を保ち、また、これらの間隔が勾配をもって膨張する場合でもこの２つのユニット・センサの並列接続というユニークさ故に、このセンサは均衡を維持する。このことは次の事項から容易に理解できる。即ち、この勾配膨張において、ａにおける距離の増大がｂよりも大であり、ｂにおける距離の増大がｃよりも大であり、ｃにおける距離の増大がｄよりも大であると仮定する。但し、この勾配が一定であると仮定すると、距離（ａ＋ｄ）＝（ｂ＋ｃ）であり、この正味のセンサの組合せは勾配応力の場合にも均衡を維持する。このようにするためには２つのユニット・センサは共通の中心線600の周囲に対称的に設置されねばならない。図6Aの電極614、624は近接して外側の線600を囲み、相互に接続しているので、図6Aの２つのセンサは、２つの電極614及び624を結合して図6Bに示すように１つの電極とすることで、この場合中心縁600は１つの電極を２分するが更にコンパクトとなる。これは基板の横方向容積変化に対して１つのユニット・センサのみよりも大きな免疫性を有する合成センサを示すものである。同様の説明が勾配性の厚さ変化についても該当する。
図7Aには更に別の形態が示されており、図7Bにはその電気回路が示されている。これは図2Aの修正案であり、図6A、6Bで２つのセンサを組み合わせて解決された勾配性容積変化の問題を１つのセンサで解決するものである。図7Aにおいて、電極712、713、714、715は図2Aの電極120、130、140、15に対応する。図2A、2Bにおいて、電極15は領域320、330における水分の検出に対するシールドであり、また励起源36への電気的接地帰路である。図2Cにおける電気的等価回路は、２つのコンデンサ132、133が領域32、33のそれぞれの水分で変化することを示す。電極120から15へ、また140から15へのそれぞれのコンデンサ232、233このコンデンサ・ブリッジ回路の基準コンデンサとして作用し、水分では変化しない。このセンサは図1Aのセンサと同じ容積変化特性を有する。
図7Aにおいて、電極715の幅は電極713の幅に略対応して縮小されている。従って、電極715はこのブリッジの電気的帰路交点として効果的であり、図7Bの静電容量702、703は図2Cの静電容量232、233に比較して縮小されている。しかし静電容量702はコンデンサ732と同様に容積変化で変化し、コンデンサ703はコンデンサ733と同様に容積変化で変化し、従って各センサ容量に対応する基準容量は応力に対して比例して変化し、このブリッジは勾配性の容積変化に対しても一定の容積変化に対して均衡を維持する。このように、図7Aのセンサはこの点に関する改良である。
指向性を設ける問題は検出電極の712、714下方にシールド電極792、794をそれぞれ付加してこれらを単一利得（unity−gain）増幅器707、708でそれぞれブートストラップ構成として領域320、330の水分に対して効果的シールドを回復することにより解決される。このように、図2A、2Bのシールド電極15は多セクションシールド又は複数シールドで置換され、これらのセグメント又は一部が接地され、或いは対応する検出電極に対してセンサの設計に合わせてブートストラップ構成とされている。
例えば、議論したように自動車のウインドシールドがラミネーションの場合、製造方法の物理的制限を考慮してセンサの能動電極の容積を修正することで別の形態が生まれる。理想的には、ウインドシールドが完全で水分の層が均一であれば出力信号は零である。ウインドシールドの霧センサとして使用された場合、霧が十分に均一で非常に小さな信号を発生するような状況が生じることがある。換言すると、センサが一定の水分層に反応するためには、センサは完全に均衡状態であってはならない。この要求される不均衡は機構的に又は電子的に工夫することができる。実際には、ウインドシールドのラミネートの厚さは完全に一定ではない。従って、水分層と電極極板との間の距離は固定ではなく、容量的に誘導された電流は水分の層が一定であってもキャンセルされない。従って、実際のセンサにおいては、水分層が完全に一定な時にも信号が発生する。一方、このようなセンサは窓を加熱した場合のような通常モード効果にも反応するが、実際には矛盾はないことが判明しており、実際のウインドシールドの非一定性の分量は温度及び機構上の応力による誤信号を除去するに足る小さな分量であり、又霧による均一な層をも検出するに足る大きな分量なのである。
本発明の好ましい実施形態においては、センサは故意に僅かながら非対称とされ、例えば、対向する励起電極の長さを僅かに違えて、ラミネートの厚さがたまたま一定である時でも一定の水分層が検出されるようにしている。この方法は本発明のセンサ全般に構造的に内在するものとして適用する。
機構的に完全に均衡のとれたセンサの場合でも、非対称の出力が電子的に提供されることは先に述べた通りである。この方法は図2A、2B及び7Aに示すタイプのセンサに適用し、その略図はそれぞれ図2C及び7Bに示されている。これらセンサは「ブリッジ」センサであり、その出力は２つの出力交点間の差で得られる。電子的不均衡は２つのブリッジ出力交点、例えば、別個の前置増幅器812、814（図８）との出力交点で得られる信号に相異なる利得を提供して、これら前置増幅器の出力を２つのブリッジ出力交点に直接接続した差動増幅器に付与することで得られる。
図9A及び9Bには別の形態が示されている。ここで、電極912、914は、バランスされた、180度位相を異ならせた電源10、11により駆動され、その信号出力は図1Aにおける、例えばセンサと同様に電極913で得られる。このセンサの案は電極913の下方の能動電極990を含む。電極990は、コンデンサ902と903との間の容量形分割効果に依存する「ドライ」基準信号を受けるが、これらコンデンサの値もまた容積により決まるもので、水分検出領域32、33を介する容量形結合であるコンデンサ932、933と実質的に同じである。増幅器2000はその入力が電極913、990、交点923、929にそれぞれ接続されて、水分に依存する信号を発生するが、しかし両側の容量形分割器は同じ基板容積変化の「ドライ」容量形感度を有するが故に、センサ出力は基板容積形変化とは実質的に独立したものである。シールド電極916、917とその下方にあってこれらシールド電極を能動基準電極990と交点929に対してブートストラップするブートストラップ増幅器991はセンサ指向性を提供する。これら電極916、917及びブートストラップ増幅器991が上述のようになくとも、このセンサは上方水分検出面及び下方水分検出面の水分を差動検出するのに使用されることができるが、これは自動車のウインドシールドアプリケーションの目的ではない。
電極916、917及び990の相対的容積は実際の基板容積感度を最小とするように調整することができる。電荷増幅器を使用すれば、基準出力はシステム信号のグランドよりもその基準となる。これの代わりに差動電圧増幅器を使用することができる。
改良された差動容量形水分センサは、コンデンサの電極板の物理的形状により２つの好ましい同等静電容量を有し、これを図10Cを参照して説明する。静電容量が同じであるため、この２つの静電容量は図10Bにおけるように、電荷増幅器20の総合交点へ均等量の電荷を正反対の位相で結合する180度位相が異った電源により励起されると同じ「ドライ」感度を有するのでセンサのネットドライ出力は零となる。この２つの静電容量は同じ誘電体を使用して同じ値であるため、また静電容量は温度と共に変化するため、このガラスの誘電率の温度変化はなくなる。しかし「ウエット（wet）」水分感度はコンデンサの形状で異なり、これを図10Cを参照して説明する。
一般に知られているように、平行電極板コンデンサの静電容量はA/dに理想的に比例する（この場合Ａはコンデンサ電極板の面積であり、ｄはこのコンデンサの２つの電極板間の距離である）。２つのコンデンサが同じA/dを有して同じ誘電率を有すれば、この２つの静電容量は同じとなる。しかし電極板面積Ａと電極板間の距離ｄは目的に応じて変えることができる。これがここでの状況である。
図10Cには３つの「ランド」エリアを有するプリント回路パターンが示されており、これらのエリアは３つのコンデンサ電極板を構成するために使用することができる。信号電極板5213は２つのコンデンサで共有されている。この信号電極板5213（SP）は２つの縁部を有し、第１の縁部は能動電極板5412（AP）のパターンに近接し、第２の縁部は補償電極板5014（CP）に近接している。このように図10Cのパターンは共有極板SP、5014を備えた２つのコンデンサを示す。
ここで判ることは、図10Cのようなパターンがプリントされると、この材料は有限の厚さを有していることである。図10Cの各コンデンサ電極板のエリアは我々がこのプリント・パターンで見ているエリアではない。むしろ、このエリアは、コンデンサを共に形成する他方の極板に近接するパターン縁部の長さに材料の厚さを乗算したものとして計算することができる。このように信号電極板5213は能動電極板5412と補償電極板5014にそれぞれ近接した２つの縁部5213Aと5213Cを有する。このパターンが形成されると、この材料の厚さは理想的に均一となり、すべての電極板縁部は図10Cにおける紙面からの高さが同じになる。AP5412に対向するSP縁部5213AはCP5014に対向するSP縁部5213Cの長さよりもは大幅に長くレイアウトされている。このようにSP5213とAP5412間のコンデンサ電極板エリアは、SP5213とCP5014との間のそれよりも遥かに大きい。SP5213とAP5412間の間隔5332は、SP5213とCP5014との間隔5133よりも遥かに大きい。この容積は２つのコンデンサの静電容量が同じになるように設計されたものである。従って、AP5412とCP5014が同じ振幅で180度位相が異った励起がなされると、各コンデンサを介するこの２つの励起から結合される信号間の差は実質的に零となる。
図10Aは図10Cのセンサの横断面図である。センサ5000は図10CのSP5213、AP5412及びCP5014を含む。これら３つの電極は典型的なマイラ（mylar）基板5003の第１の面にプリントされて、シールド電極15は基板5003の第２の「裏」面に追加されており、SP5213及びAP5412は距離5332で分離され、SP5213及びCP5014は距離5133で分離されている。このプリント・パターンは材料厚さ5004を有する。このマイラ基板は厚さ5002のガラス5001の第１の表面に接触している。ガラス5001は２つのガラス誘電センサ・コンデンサの誘電体として作用する。この２つのコンデンサは図10Cのパターンの図式で配置されて、Ａ及びｄの値がそれぞれ異なっても同じA/d比を有するが故に、また２つのコンデンサとして同じ厚さ及び同じ誘電率のガラスが使用されているが故に、この２つのコンデンサは実質的に同じ静電容量を有する。このセンサの形状を完全とするためには、電極板間隔5332及び5133の選択は、以下のようにガラス誘電体5002の厚さに関係する。即ち、２つのコンデンサ極板SP5213及びCP5014間の間隔5133はガラス5001の厚さに比較して小さく示されている。この結果、この２つの電極板間の電界のうち図10Aの点線で示したエッジ部分の不均一な電界が存在する領域（以下周縁領域と称する）は実質的にガラス誘電体5001の内部に包含される。これが意味するところは、SP5213とCP5014との間の静電容量はガラス誘電体5001の第２の面の水分の影響を受けることがなく、従って、ドライとウエットの静電容量は実質的に同じであるということである。他方、SP5213とAP5412間の間隔5332はガラス5001の厚さと同程度に示されている。この選択の結果として、２つの電極板SP5213とAP5412間の周縁領域はガラス誘電体5001の第２の面5005を通り抜けて延長し、SP5213とAP5412との間の静電容量の値はガラス誘電体5001の第２の面5005の水分の存在により影響を受けることとなろう。このように、図10A−Ｃの差動容量センサの２つのコンデンサは等しい「ドライ」静電容量を有するが、「ウエット」静電容量は異なる。この水分無反応コンデンサはSP、5213とCP5014との間の静電容量である。水分反応コンデンサはSP5213とAP5412間の静電容量である。従って、能動水分検出エリアは、誘電体ガラス極板5001の第２の表面5005のSP5213とAP5412間のエリア5332となる。例えばこのような差動水分センサは３ミリの厚さのガラス窓ラミネートで、１ミリの5133と３ミリの5332の電極を備えたもので実現可能である。領域32、33の水分に対する差動容量形水分センサの感度の所望の組合せは、誘電体の厚さに対する電極の間隔ｄの比を設計することで得られる。
図10Bは図10Cのセンサに関連した電子装置を備えて示すものである。図10Bは図1Bと類似しており、このセンサと電子装置は多少の例外はあるが、同じ機能を有する。第１に、図1Bと同じ機能をもって図10Cで接地されたシールド極板15があり、これがセンサの一方向にのみ感度を提供することが注目される。従って、水分センサ5000が、例えば、自動車のウインドシールドのサンドイッチ・ガラスの内部で組付けられると、センサ5000はは電極5213、5014、5412が対向して位置するガラスの第２の表面の水分のみに反応する。図1B及び10Bの回路の相違は図10Bには全波整流器、絶対値回路24がないことである。図10A−Ｃのセンサにおいては、２つの静電容量の１つのみが水分に反応するが故に、同期復調倍率器22の出力は単極であって、比較器25に単極信号を提供する絶対値回路を必要としない。図10BのセンサはCP5014に関してAP5412と同じA/d比を維持すると共に、領域32の水分感度に関して領域33では実質的に零信号を提供する縮小されたギャップ幅5133と縁部長さのコンデンサ電極板CP5014を示している。
図10Bにおいて好ましくは、増幅器20は電荷増幅器であり、増幅器20の入力は事実上電荷増幅器20のアース総合交点である。要するに、電源10及び11は180度位相を異にして励起され、「ドライ」センサ容量が均等であるから、領域32、33に水分がない場合には、電荷増幅器20のアース総合交点に結合されるネット電荷は零である。「水滴」19で表される水分が領域32又は領域32と33の両方にある時には、SP5213とAP5412との間の周縁領域がガラス誘電体5001を通って領域32へ延長することから、領域32の水分によって上記の周縁領域における誘電率は水分が存在する前の誘電率よりも大きな誘電率となるので、増幅器20の入力には差信号が結合される。従って、SP5213とAP5412との間の静電容量は増大して、結合した電源10から増幅器20の入力には大きな信号が提供される。
図6A−Ｂにおいて説明した種々の複数センサのレイアウトは図10A−Ｃセンサにも適用することができる。同様に、電子装置のバリエーションも図10A−Ｃセンサに適用することができる。
好ましいアッセンブリ方法としては、例えば、図10Cに示すように、電極パターンを、透明な材料を使用して薄いマイラ・シート上に被覆することである。この薄いマイラ・シートをサンドイッチ・ガラスの層の間に置いてサンドイッチ・ガラスの製造時にこれに成型する。このマイラは、好ましくはプリント配線パターンを含む「延長部」を有して、組込まれた「リボン・ケーブル」を提供し、これがサンドイッチ・ガラス縁部から外に延長してセンサ5000への必要とされる電気的接続を可能とする。図10Cのカーブした「ワイヤ」パターンは信号電極板接続と交差して２つの補償電極板エリアを接続するものであるが、これは付加的な「ジャンパ」接続であってこのプリント・パターンの面には位置するものではなく、図示の電極レイアウトを使用する場合に必要とするものである。
信号電極板SP5213は２つのコンデンサ電極板として作用する。これは検出領域32、33に形成される２つの静電容量間で共有されるからである。
差動容量形水分センサ5000の２つの静電容量は同じ誘電体5001を共有するので、センサ5000は温度による誘電体5001の誘電率の変化には反応せず、センサには非常に高い水分感度を提供するが、それはセンサ出力信号が純粋な水分信号だからである。
更に本発明の差動水分センサの改良について図11A−11Cを参照して説明する。
検出された水分が液体の水分なのか、又は固体の氷なのか、又は雪なのか、又は氷と雪の混合、いわゆる「スラッシュ（slush）」なのか、決定したい場合がある。例えば、窓ガラスの下方でワイパーにより集められた雪を除去したい場合がある。この場合、「固体相の水」を検出する「氷・センサ」は雪の存在を検出して電気的グリッド・ヒーターを自動的に動作させるのに有益である。
固体相の水と液体相の水とを識別する方法があることが判明した。これはこの２つの相異なる相の水の誘電率に基くものであり、更に重要なのは、氷と雪の誘電率に基く周波数によるものである。図11Aは温度と周波数の関数として氷の誘電率に基くデータを示す。ここで判ることは、いかなる温度でも、周波数が高い程誘電率は低いことである。一方、液体相の水の誘電率は僅かに温度に依存するが、周波数には高メガヘルツ領域までは依存しない。この結果、励起周波数を変化させてその出力を観察することにより固体相の水の存在を容量的に検出することが可能である。センサの近辺に液体相の水のみがある場合にはその出力信号は周波数で変化することはない。しかしセンサの近辺に固体相の水がある場合には、その出力信号は周波数で変化する。図11Aのグラフは国際定数表の数値データ、物理及び技術、Vol.6、マクグロウヒル・ブック社、第１版、'29、78頁版から引用したものである。この参考文献の同じ頁に、液体相の水の誘電率に対する依存度を説明する数式がある。液体相の水については、
誘電率＝80−0.4（Ｔ−20）、この場合Ｔは摂氏度数である。
従って、水の誘電率＝80、Ｔ＝20C、
そして水の誘電率＝88、Ｔ＝0C。
これは、DCから100メガヘルツまでは周波数への依存が有効であるということである。
先に述べたように、液体相の水の誘電率は約80である。図11Aのカーブ２で、温度−２℃のカーブが示すところは、温度−２℃で低周波数の氷は液体から固体相の水への相変化による誘電率の減少は小さく、誘電率は約25％下降して約2kHzで値60となる。また、温度−２℃の固体相の水の最小誘電率は約40KHzよりも大きな周波数で達成され、その値は約５である。
図11Aのカーブ50で、温度−47.5℃のカーブが示すところは、450Hzで約８の誘電率は約40KHz以上の周波数に対して最小値約2.2まで下降する。カーブ50では誘電率は周波数約200Hzで恐らく15を越えると推定すべきであろう。50kHzが便利な上方周波数の選択である。
約−50℃から約−２℃までのすべての温度で信頼できる氷検出のためには、測定周波数を低測定周波数から高測定周波数へ増大する時に誘電率の減少を示す２つの誘電率測定法を選択する必要がある。200Hzの低測定周波数の選択と、例えば、40kHzよりも大きな上方測定周波数の選択は誘電率の比に対応する少なくとも３つの低周波数信号と高周波数信号の比を生じることとなる。最小の誘電率は−２℃で約５であることが判っているのであるから、その結果としての出力信号は信頼性をもって予測することができ、電子装置に固定しきい値比較器を使用して氷の存在を検出することができる。最低信号レベルがよく知られていないとしても、この２つの信号比がセンサに追従する電子装置において得ることができ、氷／非氷の決定はこれら信号の比に基いて行うことができる。
図11Bは本発明の氷検出方法を実行するためのブロック図である。低周波数矩形波発生器の「制御クロック」1101は複周波数発振器1102を動作させて２つの出力周波数の間を往復させる。先に説明したように、この２つの周波数は約200Hzと約50kHzで、「制御クロック」矩形波発生器の周波数が約5Hzである。本発明においては、複周波数発振器1102は好ましくはプッシュ・プルであり、180度位相が異った出力を発生して、差動ウインドシールド水分センサ1103を駆動する。しかしながら、本発明の「氷検出器」である固体相／液体相検出器は、同時出願である米国の特許出願No.08/625473「窓容量形水分センサ」、発明者Yishay Netzerに記載のリアウインドウ自動霜取り用片側検出極板のような「片側」の非差動センサを代りに使用することができる。どちらの水分センサを使用するにしても、この水分センサ1103の出力信号は電荷増幅器1104に送られて接続点の入力を総合する。電荷増幅器1104は、電圧出力を同期復調器1105に典型的に提供する。容量形水分センサ1103の出力は同期復調器1105で復調されてローパスフィルター1106でローパスフィルター処理される。上方カット・オフ周波数のローパスフィルター1106は、好ましくは1101のクロック周波数と複周波数発振器1102の低出力周波数との積のルートを取るように選択されている。数値をあてはめてみると、ローパスフィルター1106は約30Hzの上方カット・オフ周波数を有する。ローパスフィルター1106の出力は２つの出力電圧レベルの間を往復する矩形波である。この高い出力電圧レベルは低い測定周波数信号によるものであり、低い出力電圧レベルは高い測定周波数のセンサ出力信号による。これは、図11Aにて説明したように、容量形水分出力信号は氷の誘電率に比例し、氷誘電率は周波数の増大と共に下降するからである。氷の存在を更に容易に検出するために、第２の同期復調器1107が付加されており、その同期復調器は入力信号をローパスフィルター1106から受け、同期入力を制御クロック発振器1101から受ける。この同期復調器1107の目的は、零からローパスフィルター1106の出力の２つの出力レベル間の差まで変更した出力を提供することによってローパスフィルターの出力をレベル・シフトすることである。同期復調器1107の出力はローパスフィルター1108でローパスフィルター処理されて5Hzクロック周波数リプルのdc電圧を提供する。このリプル振幅対このシステムの応答時間は、設計上の妥協点である。ローパスフィルター1108のカットオフ周波数の選択1.5Hzは、定数の約３倍に相当するもので5Hzリプルを平滑にするためである。ローパスフィルター1108の出力は次いで電圧基準1110の出力により提供される基準電圧しきい値レベルVthと比較される。更にフリップ・フロップを有する比較器1109、或いはこれに替わるラッチ比較器1109でリプルを除去することができる。
図11Bに関連して説明した信号の幾つかは図11Cに示されている。5Hz制御クロックが1111として与えられる。これは複周波数発振器1102を制御して、信号周波数f2の1112、例えば、200Hz、とf3の1113、例えば、50kHz、との間を往復させる。ローパスフィルター1106の出力1115は、氷の場合、200Hzと50kHzにそれぞれ対応する高レベルV2、1116と低レベルV3、1117との間で切り替わる。ローパスフィルター1108の出力は、5Hzリプルのdcレベルで、理想的な値（V2−V3）、1118のものである。この値（V2−V3）は氷の存在を知らせるに必要な最低しきい値レベルとの比較で「処理」される。
氷がない場合には、上記の説明のように、液体相の水は実質的に周波数によって一定な約80の誘電率を有する。従って、ローパスフィルター1106及び1108のそれぞれの出力1119及び1120は、氷がない場合には実質的に零である。
図12には別の氷センサ電子装置が示されている。ここでは２つの発振器が連続的に動作して決定作成プロセッサ・ブロックにそれぞれのDC出力を提供し、このプロセッサ・ブロックはこれらDC出力のレベルを比較し、或いはこれらDC出力のレベルの比を取ってこの２つの周波数での誘電率の比を測定して、この発振器の出力レベルが同じであるか、又は知られる比であるかを測定してその情報を「プロセッサ」に提供する。このプロセッサは電圧比較器と比例回路を含み、公知のアナログ手法でここで得られるDCレベルから出力表示を提供することができる。氷検出システム1201は、周波数f2及びf3でそれぞれ動作する発振器1202、1203を含む。この発振器の出力は結合器1204で結合されて水分センサ1205に印加される。水分センサ1205の出力は分割器1206で分割され、この分割器の出力はミキサー1209、1210の「RF」入力にそれぞれ印加される前に、バンドパスフィルター1207、1208で最適フィルター処理される。ミキサー1209、1210の「LO」入力は発振器1202、1203により提供されて、これによりミキサーに対する入力信号を同期復調させる。ミキサーの「IF」出力はローパスフィルター1211、1212でフィルター処理されてDCレベル出力1213、1214をそれぞれプロセッサ1215に提供する。最も簡単なプロセッサ1215は、２つの電圧比較器のための２つの基準電圧を含むもので、低い励起周波数f2に対応するDC出力レベル1213が最小しきい値レベルを越えるか否か、また、大きな励起周波数に対応するDC出力レベル1214が最大レベル以下であるか否かを決定できるものである。これはレベル1213に基いてf2で水分を検出し、検出された水分がレベル1214に基づくf3の液体相の水でないことを知らせる。
本発明の氷検出器はウインドシールドから雪を自動的に除去する他に実用上多くの利点を有する。別の応用のしかたは飛行機の「着氷（icing）」検出器として使用できることである。センサ・パネルを飛行機の翼に取り付けて、例えば、「着氷検出」をしてパイロットに警告をすることができる。同様に、この氷検出器は自動車の「氷結雨」検出器として使用して自動車のドライバーに危険なドライブ状況が発生しつつあることを知らせることができる。
更にこのテーマに関するバリエーションとして、例えば、州間のハイウエーにおけるハイウエーの天候を監視する遠隔計測システムである。水分検出のための、また、氷検出のための本発明の差動水分検出器を含む天候監視装置は天候状態を、例えば州警察の通信指令係に伝達することができ、パトロール・カーに危険なドライブ状況を警告することができ、また天候及びドライブ状況を順次通行料金支払所に知らせることができる。
適当な遠隔監視装置は図11Dに示す形態を有する。ピラミッド1130のエリア1131、1132及び1133にセンサを設置することで、上方又はこの４方向のいずれかからの降水はこの図の少なくとも１つの面を遮る。センサの接続は並列で、全天候ハウジングとして作用するこの形状の内部に設けた電子装置に接続される。このハウジングはピラミッドの頂部に装着された任意のアンテナ1134を備えた送信器を含むことができる。センサと電子装置を次いで設計して送信に無反応であることをテストする。
構成の詳細に関しては、本発明の水分検出器は２側仕様として構成し、２つの背中合わせのセンサがその間で共通のシールド電極板を有するものとすることができる。それぞれのセンサは、基板の第１の面上におかれる。この２つの基板の第２の面は合致されて、共有された共通シールド電極板はこの２つの第２の表面の間に位置する。このように、この２つのセンサは同一のウインドシールドエリアを占める。これは基板のコストが安く、小型の二元センサである。
また、透明の導電性コーティングを形成する材料は、Bayerによる3.44エチレンジオキシチオフェン（EDT）である。
本発明は限定した数の実施形態をもって説明したが、本発明の変更、修正及び別の応用が可能なことは明らかである。
例えば、本発明の水分センサを単体の装置として、自動車ウインドシールドの構造と一体化せずに、現存のウインドシールドに装着することができる。この場合は、積層された「サンドインチ」ガラス基板を使用する必要はなく、柔軟プラスチックシート基板の２つの側に電極を付着するだけで十分であり、この場合この装置はウインドシールドに接着されて電子装置パッケージにワイヤで接続される。サンドイッチ・ガラス基板の形成に際しては、これは通常装着されるウインドシールドの曲率に合致した曲率を要する。
また、利点として、同じ表面の領域を検出する複数の水分センサを相互に接続して１つのセンサよりも対基板変化感度が低い全体的水分センサを提供することができる。
請求項の目的としては、「水分」はいかなる相の水を含むものとして理解されたい。
励起及び検出電子装置に依り、同じセンサが相異なる物理的相の水分を検出するのに使用することができることは以上の開示内容から明らかである。
図10Cに関連して以上説明したように、平行電極板コンデンサの静電容量はA/dに理想的に比例する（この場合Ａはコンデンサ電極板のエリアであり、ｄはこのコンデンサの２つの極板間の距離である）。しかしながら、これは、このコンデンサ電極板エリアの内側の静電容量と比較して重要でない、コンデンサ電極板の縁部における周縁領域効果による静電容量の貢献に依存しているとの認識が重要である。本発明のコンデンサの認識としては、このコンデンサ電極板は明らかに「長くて狭い」電極板で非常に小さな「内側」エリアを有するものである。従って、周縁領域効果が重要なことが予想される。この静電容量はA/dに関係するが、厳密には比例しない。従って、我々は「有効A/d」比を有するコンデンサと呼ぶ。共通の誘電体であるが、相異なるＡとｄを有する２つのコンデンサが同等であるためには、同等の「有効A/d」比を有するものでなければならない。このように、特許請求の範囲では「有効A/d」を使用している。また、同一のフォトマスク・パターンであっても、２つの装置は完全には一致しないことが予想される。従って、請求項１においては、「等しい」ではなく「実質的に等しい」が使用されている。
【図１Ａ】
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【図１Ｅ】
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【図２Ａ】
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【図７Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図１１Ｄ】
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【図３Ｂ】
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【図５】
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【図６Ｂ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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