KR101755720B1 - 타이어 작용력 계측 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 타이어의 작용력 중에 특히 수직 분력을 정확히 계측할 수 있고, 노이즈가 작을 뿐만 아니라 내구성도 우수하며, 별도의 작동 전원이 필요 없는 타이어 작용력 계측 시스템을 제공하기 위해, 타이어의 내부에 설치되어 타이어의 접지 길이를 감지하고, 그 감지신호를 송신하는 센서 모듈과, 상기 센서 모듈로부터 상기 감지신호를 수신 받아 상기 접지 길이를 연산하고, 상기 연산된 접지 길이에 상기 타이어의 트레드 폭과 내부 압력을 곱하여 상기 타이어에 작용하는 수직 분력을 연산하는 전자제어유니트를 갖춘다.

Description

타이어 작용력 계측 시스템{Tire force instrumentation system}

본 발명은 타이어 작용력 계측 시스템에 관한 것으로, 특히 디폼 게이지와 SAW 소자 및 타이어 압력을 이용하여 타이어에 작용하는 수직력을 정확하게 계측할 수 있도록 한 타이어 작용력 계측 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 대부분의 거동은 노면과 직접 맞닿는 타이어의 작용력, 예컨대 전후력, 횡력, 수직력 등에 의해 결정되는 바, 차량의 거동을 안정화시키기 위해서는 타이어의 작용력을 적절히 조절해야 하고, 이를 위해서는 타이어의 작용력을 정확히 계측 혹은 측정할 필요가 있다.

현재 타이어의 작용력을 계측 혹은 측정하기 위해 요레이트 센서나 가속도 센서 등을 이용하여 추정하고 있는 바, 이러한 추정은 타이어의 변형이나 노면의 마찰 계수의 변화 등과 같이 변수가 많으므로, 동역학 기반 추정기 또는 관측기 측면에서 한계를 가지고 있었다.

또한 타이어 고무면에 가속도 센서나 스트레인 게이지를 부착하여 타이어의 작용력을 계측하는 시스템이 공지되어 있는 바, 상기 가속도 센서를 부착하는 방식에서는 내구성은 양호하지만 노이즈가 많은 단점이 있었고, 스트레인 게이지를 부착하는 방식에서는 노이즈가 양호하지만 내구성이 불량한 단점이 있었다.

이에 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 안출된 것으로, 타이어의 작용력 중에 특히 수직 분력을 정확히 계측할 수 있고, 노이즈가 작을 뿐만 아니라 내구성도 우수하며, 별도의 작동 전원이 필요 없는 타이어 작용력 계측 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 타이어의 내부에 설치되어 타이어의 접지 길이를 감지하고, 그 감지신호를 송신하는 센서 모듈과,

상기 센서 모듈로부터 상기 감지신호를 수신 받아 상기 접지 길이를 연산하고, 상기 연산된 접지 길이에 상기 타이어의 트레드 폭과 내부 압력을 곱하여 상기 타이어에 작용하는 수직 분력을 연산하는 전자제어유니트를 갖춘다.

바람직하기로는 상기 센서 모듈은 상기 타이어의 내부에 부착되어 상기 타이어의 변형에 따라 정전용량을 변화시키는 디폼게이지와, 이 디폼게이지로부터 정전용량의 변화를 감지하여 표면탄성파를 발생시켜 송신하는 SAW 소자를 갖춘 것을 특징으로 한다.

상기 센서 모듈은 상기 타이어의 내측 고무 원주면에 하나 혹은 그 이상의 개수로 부착된 것을 특징으로 한다.

상기 전자제어유니트는 상기 SAW 소자에 호출 신호를 송신하는 SAW 리더를 구비하고, 상기 SAW 소자는 상기 SAW 리더와 신호를 송신 및 수신하는 안테나를 갖춘 것을 특징으로 한다.

상기 전자제어유니트는 차량의 다른 전자제어시스템에 상기 연산된 수직 분력을 신호로 송신하는 것을 특징으로 한다.

상기 디폼게이지는 상기 타이어의 접지에 따른 변형에 상응하여 정전용량을 가변시키도록 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 SAW 소자는 전기적 에너지와 기계적 에너지를 상호 변환시키는 리플렉터 IDT를 구비하고, 상기 디폼게이지가 정전용량의 변화를 상기 리플렉터 IDT에 인가하도록 상기 리플렉터 IDT에 접속된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 타이어 작용력 계측 시스템에 의하면, 타이어의 내부 고무 원주면에 부착한 디폼 게이지와 SAW 센서를 이용하여 타이어의 접지 길이를 정확히 감지하고, 상기 접지 길이에 타이어 트레드의 폭과 타이어 내부 압력을 곱함으로써 타이어의 수직 분력을 정확히 계측할 수 있으므로, 이렇게 계측된 타이어 작용력을 차량 자세제어 시스템이나 조향시스템에 송출하여 차량의 주행 안정성과 조종 안정성을 향상시킬 수 있고, 운전자에게 차량의 중량을 항시 인지시킬 수 있으므로 운전 편의를 제공할 수 있으며, 인장과 수축을 반복하는 타이어 변형 환경에도 내구성이 우수할 뿐만 아니라 노이즈가 작아서 신호처리 측면에서도 장점이 있고, 작동 전원이 불필요하고, 무선 통신이 가능하여 다른 시스템의 간섭 없이도 사용 가능한 장점이 있으며, 타이어에 부착되는 SAW 센서는 중량이 가벼워 타이어 밸런싱 측면에서 영향을 끼치지 않아서 적용성도 우수하게 되는 등의 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 타이어 작용력 계측 시스템의 전체 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 디폼 게이지와 SAW 센서의 작용 설명도,
도 3은 본 발명에 따른 디폼 게이지의 작동 설명도,
도 4는 본 발명에 따라 접지 면적을 연산하는 설명도,
도 5는 본 발명에 따라 타이어에 작용하는 수직 분력을 연산하는 설명도이다.

이하 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 타이어 고무의 내측 원주면에는 디폼 게이지(deform gage)와 SAW(Surface Acoustic Wave, 표면 탄성파) 센서로 이루어진 센서 모듈(1)을 부착하고, 차량 내부에는 ECU(2; 전자제어유니트)를 설치하여, 상기 센서 모듈(1)로부터 무선으로 송신되는 신호를 상기 전자제어유니트가 수신 받아 연산 처리하도록 되어 있다.

상기 센서 모듈(1)은 작용력을 계측하고자 타이어의 내부에 부착하는 데, 전륜 타이어(3) 및 후륜 타이어(3)의 내부에 각각 설치하여 타이어에 작용하는 작용력을 계측하는 것이 바람직하다.

상기 전자제어유니트는 상기 센서 모듈로부터 신호를 수신 받아 타이어에 작용하는 수직 분력을 연산하고, 이렇게 연산된 수직 분력을 각종 새시 제어장치나 기타 제어장치의 전자제어유니트에 송신하여 차량의 자세제어 등에 이용하도록 함으로써, 차량의 거동 안정성과 조종 안정성, 승차감 및 편의성 등을 향상시킬 수 있다.

도 2에 도시된 바와 상기 센서 모듈(1)은 SAW 소자(1a)와 디폼 게이지(1b)로 이루어지고, 상기 센서 모듈(1)은 상기 전자제어유니트로부터 호출 신호를 입력받으면, 그에 상응하여 센서 응답신호를 상기 전자제어유니트에 송신하게 된다.

상기 전자제어유니트(2)는 상기와 같이 SAW 소자와 신호를 송신 및 수신하는 SAW 리더(2a)를 포함할 수 있다.

상기 디폼 게이지는 도 3에 도시한 바와 같이, 정전용량(C₀)을 구비하고서 타이어(3)의 내부 고무 원주면에 부착되어, 타이어가 노면에 접지한 상태로 하중을 받아 변형(인장 변형)하면, 그에 따라 상기 정전용량이 C₁로 변화되고, 이렇게 변화된 정전용량은 상기 SAW 소자(1a)에 인가된다.

상기 SAW 소자(1b)는 상기와 같이 정전용량의 변화에 상응하는 표면 탄성파(SAW)를 발생시켜 안테나(1aa)를 통해 상기 SAW 리더(2a)로 송신하게 된다.

물론, 상기 SAW 리더(2a)로부터 호출 신호를 수신 받을 때도 상기 안테나(1aa)를 이용하게 된다.

상기 표면탄성파(SAW)는 탄성체 기판의 표면을 따라 전파되는 음파를 말하는 것으로, 압전 효과의 결과로서 전기 신호로부터 음파가 생성되는 데, 음파의 전계는 기판 표면 부근에 집중되어, 그 표면 바로 위에 놓인 다른 반도체 전도 전자와 상호 작용할 수 있다.

음파가 전파하는 매질은 전자 기계적 결합 계수가 높고 음파 에너지 손실이 낮은 물질이고, 이러한 특성이 있는 표면 탄성파와 반도체 전도 전자 상호 작용을 이용하여 전자 회로를 전자 기계적 소자로 대치하는 것을 표면 탄성파 소자, 즉 SAW 소자라고 한다.

이러한 SAW 소자를 타이어 작용력 계측용 센서로 활용할 경우, SAW 리더(2a)에서 전파를 송신하면, SAW 소자(1a)는 타이어 변형에 따라 그 음파의 고유진동수 및 위상이 변화하게 되고, 이 변화를 SAW 리더(2a)가 수신하여 타이어 변형량으로 변환하여 출력값을 연산하는 방식으로 활용할 수 있는 데, 이 경우 해상도가 우수하고, 원가가 저렴하며, 중양이 가볍고, 무전원 구동이 가능한 장점이 있다.

상기 SAW 소자(1a)는 리플렉터 IDT(1ab, Inter-Digital Transducer)를 구비하고 있는 데, 상기 리플렉터 IDT(1ab)는 압전 기판 위의 빗살형 전극으로 표면 탄성파를 가장 효율적으로, 보편적으로 발생 혹은 검출하는 구조를 말하는 것으로, 전기적 에너지와 기계적 에너지 간의 변화를 가능하게 해주며, 리플렉터 IDT의 형태 및 전극 크기의 조절에 따라 출력 특성이 결정된다.

상기 리플렉터 IDT(1ab)에 상기 디폼게이지(1b)가 연결되어, 디폼게이지의 정전용량의 변화에 상응하는 표면 탄성파를 상기 리플렉터 IDT가 발생시키게 된다.

도 4를 참조하면, 타이어의 내부에 본 발명에 따른 센서 모듈(1)이 원주 방향으로 다수개보 부착되어 있지만, 이에 한정되지 않고 하나 혹은 그 이상의 개수로 부착될 수 있으며, 상기와 같이 부착된 센서 모듈(1)이 타이어의 노면 접지로 인해 변형되는 시점과 노면을 벗어나서 변형이 완료되는 시점에서 각각의 신호를 상기 전자제어유니트(2)에 송출하고, 상기 전자제어유니트(2)는 각 시점 사이의 시간을 감지하여 접지 길이를 연산한다.

즉 전자제어유니트는 각 시점 사이의 시간에 타이어의 회전 속도를 곱하여 타이어의 접지 길이를 연산하는 데, 타이어의 접지 길이는 차량의 적재 하중과 타이어 내부 압력에 따라 가변된다.

상기 전자제어유니트는 상기와 같이 연산한 접지 길이에 타이어 트레드 폭을 곱하여 접지 면적을 연산하고, 이렇게 연산된 접지 면적에 도 5에 도시한 바와 같이 타이어 내부 압력을 곱하면 타이에 작용하는 수직 분력(Fz)을 얻을 수 있게 된다.

상기 타이어 내부 압력은 기존의 TPMS(Tire Pressure Monitoring System)을 이용하면 된다.

또한 본 발명에 따른 전자제어유니트(2)는 별도로 설치할 필요 없이 기존의 TPMS ECU를 활용해도 무방하다.

1-센서 모듈 1a-SAW 소자
1b-디폼게이지 1aa-안테나
1ab-리플렉터 IDT 2-전자제어유니트
2a-SAW 리더 3-타이어

Claims (7)

1. 타이어의 내부에 설치되어 타이어의 접지 길이를 감지하고, 그 감지신호를 송신하는 센서 모듈과,
   상기 센서 모듈로부터 상기 감지신호를 수신 받아 상기 접지 길이를 연산하고, 상기 연산된 접지 길이에 상기 타이어의 트레드 폭과 내부 압력을 곱하여 상기 타이어에 작용하는 수직 분력을 연산하는 전자제어유니트를 구비하고,
   상기 센서모듈이 타이어의 노면 접지로 인해 변형되는 시점과 노면을 벗어나서 벗어나서 변형이 완료되는 시점에서 각각의 신호를 상기 전자제어유니트로 송출하고, 상기 전자제어유니트는 각 시점 사이의 시간을 감지하여 접지길이를 연산하는 것을 특징으로 하는 타이어 작용력 계측 시스템.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 센서 모듈은 상기 타이어의 내부에 부착되어 상기 타이어의 변형에 따라 정전용량을 변화시키는 디폼게이지와, 이 디폼게이지로부터 정전용량의 변화를 감지하여 표면탄성파를 발생시켜 송신하는 SAW 소자를 갖춘 것을 특징으로 하는 타이어 작용력 계측 시스템.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 센서 모듈은 상기 타이어의 내측 고무 원주면에 하나 혹은 그 이상의 개수로 부착된 것을 특징으로 하는 타이어 작용력 계측 시스템.
4. 청구항 2에 있어서, 상기 전자제어유니트는 상기 SAW 소자에 호출 신호를 송신하는 SAW 리더를 구비하고, 상기 SAW 소자는 상기 SAW 리더와 신호를 송신 및 수신하는 안테나를 갖춘 것을 특징으로 하는 타이어 작용력 계측 시스템.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 전자제어유니트는 차량의 다른 전자제어시스템에 상기 연산된 수직 분력을 신호로 송신하는 것을 특징으로 하는 타이어 작용력 계측 시스템.
6. 청구항 2에 있어서, 상기 디폼게이지는 상기 타이어의 접지에 따른 변형에 상응하여 정전용량을 가변시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 타이어 작용력 계측 시스템.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 SAW 소자는 전기적 에너지와 기계적 에너지를 상호 변환시키는 리플렉터 IDT를 구비하고, 상기 디폼게이지가 정전용량의 변화를 상기 리플렉터 IDT에 인가하도록 상기 리플렉터 IDT에 접속된 것을 특징으로 하는 타이어 작용력 계측 시스템.

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