Car Wiper (차량 와이퍼)

Robert W. Kearns 교수가 현대의 차량용 와이퍼를 발명하기 이전에는 위 사진과 같은 Four bar linkage mechanism을 통해서 blade가 oscilating motion을 갖고 있었다.

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DC 모터가 worm gear를 회전시키고, 이 worm gear는 torque multiplication에 사용되었다. 이 메커니즘으로 와이프가 계속해서 움직이도록 만들었다.

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하지만 이렇게 시야내에서 지속적으로 움직이는 와이퍼의 움직임은 운전자의 vision에 많은 방해가 된다.

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Kerens는 이러한 문제를 해결하기 위해 우선 사람의 눈 깜박임에 대해서 먼저 생각해보았다. 우리가 눈을 깜박이는 것에 방해를 받는다고 느끼지 않는 이유는 그것이 간헐적으로 일어나기 때문이다. 우리는 눈을 한 번 깜박인 후에는 비교적 긴 시간 동안 눈을 다시 깜박이지 않는다.

따라서 만약에 차량의 와이퍼가 각각의 wiper cycle 이후에 일정 시간동안 멈춘다면 운전자의 vision에 방해되는 정도가 줄어들 것이다.

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이런 intermittent wiper는 cam을 위 사진과 같이 설치하여 만들 수 있다. 하지만 와이퍼의 dwell time은 상황에 따라서 달라져야한다. 즉, 비가 적게 오는 상황에서는 dwell time이 길어지고, 비가 많이 오는 상황에서는 dwell time이 짧아져야한다. 하지만 순수하게 mechanical한 방법으로 그러한 것들을 만드는 것을 실용적이지 않다. 따라서 electronics를 함께 이용해야한다.

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위 사진과 같이 구성되어 있는 회로와 와이퍼를 살펴보자. 우선 cam과 연결되어 있는 부분이 스위치를 건들이지 않아 트랜지스터가 on state에 있는 경우에는 전류가 흐르고 와이퍼를 회전시키는 모터가 작동한다.

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하지만 와이퍼가 계속해서 돌다가 스위치를 off로 만들어 버리게 되면 트랜지스터는 off state가 되고 모터의 움직임이 멈춘다. 이 상황은 와이퍼가 dwell stage에 있는 상황이다. 하지만 회로를 이렇게만 구성하면 스위치가 다시 켜질 수 없으므로 모터를 다시 켤 수 없다.

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회로에 위와 같이 capacitor와 resistance를 넣어서 이 문제를 해결할 수 있다. 저항이 있기 때문에 capacitor의 양쪽에는 전압의 차이가 발생할 수 밖에 없고, 이러한 전압의 차이는 capacitor를 충전시킨다.

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이제 위 상황처럼 스위치가 꺼진 경우를 살펴보자. 이 경우에 B 지점의 전압은 고정되어 있다. 그리고 capacitor가 fully charge 되어 있고, discharge 되기 전에는 A 지점의 전압은 B 지점보다 높고, 트랜지스터는 reverse bias 상태이다.

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하지만 discharge가 일어나기 시작하면서 A 지점의 전압은 점점 낮아지고, 어느 순간 A 지점의 전압이 B 지점의 전압보다 낮아지게 된다.

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그렇게 되면 트랜지스터가 다시 켜지게 되고, 모터도 다시 회전하게 된다. 따라서 회로의 capacitor가 적절한 수준까지 discharge 되는데 걸리는 시간이 와이퍼의 dwell time이 된다. 그리고 이러한 dwell time은 resistance의 저항값을 바꿈으로써 쉽게 조절할 수 있다. (Resistance가 커질수록 dwell time이 길어진다.)

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한편, 비가 많이 오는 상황에서는 dwell time이 거의 0이 되도록 만들어야 하는데, 그것을 resistance를 0으로 만드는 방법을 통해 실현하는 것은 실용적이지 않다. 하지만 비가 많이 오는 상황에는 와이퍼와 차량 앞 유리 사이에 마찰력이 작아지게 되는데, 이것이 dwell 상태 동안 영향을 미치게 된다.

회로가 disconnected 된 상태에서 와이퍼는 마찰력이 적어 momentum을 갖고 있기 때문에 위 사진처럼 계속해서 아래로 움직이게 된다.

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이것이 나머지 파트 들에 driving force를 주게 되고 캠이 저절로 회전하게 만든다. 그리고 캠이 회전하면서 모터가 다시 켜지게 된다. 즉, 와이퍼의 관성이 dwell time을 skip 하도록 만들어 주는 것이다.

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현대의 와이퍼에는 relay(전자계전기)와 microcontroller를 사용한다.

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출처: https://www.youtube.com/watch?v=Waom4TJXY7Y&list=WL&index=2&t=367s&ab_channel=Lesics