KR100535405B1

KR100535405B1 - 타이어의 압력 및 온도 측정용 표면탄성파 센서

Info

Publication number: KR100535405B1
Application number: KR10-2003-0100758A
Authority: KR
Inventors: 범진욱; 박진호
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2003-12-30
Filing date: 2003-12-30
Publication date: 2005-12-08
Also published as: CN1310021C; US20050138998A1; JP4698197B2; US7114382B2; CN1637401A; JP2005195575A; KR20050068940A

Abstract

타이어의 압력 및 온도 측정용 표면탄성파 센서가 개시된다. 개시된 타이어의 압력 및 온도 측정용 표면탄성파 센서는, 압전기판과; 상기 압전기판의 외부에 설치된 외부안테나와 연결되며, 상기 압전기판의 중앙 일측에 마련된 입출력 IDT와; 상기 입출력 IDT를 중심으로 좌우에 각각 꼭지점이 맞닿는 형태의 사각형 모양으로 형성된 2개의 루프에 각각 3개씩 마련된 반사판과; 상기 두개의 사각형 중앙에 마련되어 탄성파가 대각선 방향으로 진행할 수 없도록 하는 탄성파 흡수체;를 포함하여, 무전원으로 타이어의 압력 및 온도 측정하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 반사되어 나오는 전기신호의 크기를 크게 할 수 있고, 제작을 쉽게 할 수 있거나 또는 비용을 줄일 수 있으며, 내부 전기장의 크기를 줄일 수 있어 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

타이어의 압력 및 온도 측정용 표면탄성파 센서{SURFACE ACOUSTIC WAVE SENSOR FOR MEASURING PRESSURE AND TEMPERATURE FOR TIRE}

본 발명은 타이어의 압력 및 온도 측정용 표면탄성파 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무전원 루프형 타이어의 압력 및 온도 측정용 표면탄성파 센서에 관한 것이다.

타이어 온도 및 압력을 측정하고 측정한 정보를 무선으로 송출하기 위한 여러 가지 기술 중 표면탄성파(Surface Acoustic Wave; 이하 SAW라 함) 센서를 이용한 기술은 내부 전원이 필요 없다는 것이 장점이다. 안테나와 SAW센서로 이루어져 압력을 측정할 수 있는 부품은 외부에서 마이크로파 신호를 안테나를 통해 받고 온도와 압력에 해당하는 정보를 다시 안테나를 통해 전송하는 장치이다.

여기에 사용되는 SAW센서는 도 1에 도시된 바와 같이, 안테나(30)와 연결될 수 있는 손가락형 IDT(Inter-Digital Transducer)(10)와 3개의 반사판(20)을 하나의 SAW기판에 제작한 형태로 구현된다.

이와 같은 SAW센서는, 상기 안테나(30)에 입사된 전기 신호가 IDT(10)에서 탄성파로 바뀌며 발생한 탄성파가 전파되어 상기 반사판(20)에서 차례로 반사되어 다시 IDT(10)을 통해 안테나(30)로 방출된다. 그리고 3개의 상기 반사판(20)에서 반사된 탄성파 신호는 이동에 소요된 시간만큼이 지연된 신호이다. 이 신호 이동에 소요된 시간은 탄성파의 이동속도에 관련되고 탄성파의 이동 속도는 온도에 관계하므로 신호의 지연시간으로부터 이동시간에 대한 자료를 추출할 수 있다.

또한 상기 반사판(30)에 일정한 임피던스가 연결된 경우 연결된 임피던스에 따라 반사되는 탄성파의 양이 변한다. 압력에 따라 임피던스가 변하는 용량형센서(capacitive sensor)(40) 등을 반사판 중 하나에 연결하면 반사되는 양이 변하여 이를 근거로 타이어의 압력을 결정할 수 있다.

상기 3개의 반사판(20) 중 보통 가운데 반사판(20)에 용량형센서(40) 등이 연결이 되게 되며 이 경우 첫 번째와 세 번째 반사판(20)에 의해 반사된 탄성파 신호는 가운데(두 번째) 반사판(20)에서의 반사 신호에 대한 기준 신호로 사용된다. 기준 신호 대비 압력 변화에 의한 신호를 비교하여 압력의 변화를 알아 낼 수 있다.

그런데, 무전원으로 타이어 공기압과 온도를 측정하기 위해 이용되는 도 1과 같은 종래의 SAW센서는 3개의 반사판(20)을 이용한 구조로 각 반사판(20)에서 반사와 투과가 동시에 일어나게 된다. 상기 3개의 반사판(20)이 연속으로 있으므로 반사판(20)을 투과한 탄성파 신호가 다음에 반사판(20)에 도달하기 위해서는 각각의 반사판(20) 2μm에서의 반사율이 투과율에 비해 작은 양이 되어야 한다. 탄성파의 반사율이 작은 값으로 유지되기 때문에 반사되는 신호의 크기가 입력 신호에 비해 작은 값을 가지게 되며 그 결과 반사되어 나오는 전기 신호의 크기가 작게 된다.

또한 고주파의 무선 신호를 사용하는 경우 SAW센서의 IDT(10)에서 전극사이의 간격이 줄어들게 된다. 리튬나이오베이트[LiNbO3(LN; Lithium Niobate)]기판을 사용하는 경우, 430MHz신호의 IDT의 제작을 위해서는 전극 및 전극 사이의 간격이 각각 2μm정도이므로 430MHz보다 고주파를 사용하는 경우 전극 및 전극 간격은 더 줄어들어 제작이 어렵거나 제작비용이 증가하고, 내부 전기장의 크기 역시 증가하여 소자의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 압전기판 위에 SAW센서를 제작할 때 안테나와 연결된 입출력 IDT와 반사율이 높은 6개의 반사판을 두개의 사각형의 꼭지점으로 배치시켜 타이어의 압력 및 온도를 측정하도록 하여 제작이 용이하고, 소자의 신뢰성을 향상시킨 타이어의 압력 및 온도 측정용 표면탄성파 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 타이어의 압력 및 온도 측정용 표면탄성파 센서는, 압전기판과; 상기 압전기판의 외부에 설치된 외부안테나와 연결되며, 상기 압전기판의 중앙 일측에 마련된 입출력 IDT와; 상기 입출력 IDT를 중심으로 좌우에 각각 꼭지점이 맞닿는 형태의 사각형 모양으로 형성된 2개의 루프에 각각 3개씩 마련된 반사판과; 상기 두개의 사각형 중앙에 마련되어 탄성파가 대각선 방향으로 진행할 수 없도록 하는 탄성파 흡수체;를 포함하여, 무전원으로 타이어의 압력 및 온도 측정하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2에는 본 발명에 따른 타이어의 압력 및 온도 측정용 표면탄성파 센서의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 타이어의 압력 및 온도 측정용 표면탄성파 센서는, 압전기판(P)과, 이 압전기판(P)의 외부에 설치된 외부안테나(300)와 연결되며, 상기 압전기판(P)의 중앙 일측에 마련된 입출력 IDT(100)와, 이 입출력 IDT(100)를 중심으로 좌우에 각각 꼭지점이 맞닿는 형태의 사각형 모양으로 형성된 2개의 루프(loop)에 각각 3개씩 마련된 반사판(200,210)과, 상기 두개의 사각형 중앙에 마련되어 탄성파가 대각선 방향으로 진행할 수 없도록 하는 탄성파 흡수체(500)를 포함하여 구성되어 무전원으로 타이어의 압력 및 온도를 측정한다.

그리고 상기 판사판(200,210)은 2개의 사각형의 꼭지점에 마련되고, 압력측정에 사용하기 위해 상기 반사판(200,210)의 일부 또는 전부에 압력에 따라 임피던스가 변하는 압력 센서(400)가 연결된다.

또한 상기 좌측 루프의 상기 반사판(200)과 우측 루프의 반사판(210)의 탄성파 반사율은 높게 하고, 상기 좌우측 중 하나는 기준신호 발생에 사용되며, 다른 하나는 온도 및 압력의 측정에 사용된다.,

상기 좌측 루프와 우측 루프의 길이는 서로 다르게 형성하여 출력 신호에 시간차를 주도록 한다.

그리고 타이어의 온도 및 압력 등의 측정을 위해 외부장치에서 짧은 마이크로파 펄스를 상기 외부안테나(300)를 통해 전송하게 되면, 이 외부안테나(300)를 통해 입사되어 입출력 IDT(100)에서 탄성파 신호로 변환되며, 상기 반사판(200,210)에 탄성파가 45°로 입사하여 45°로 반사되는 구조로 이루어진

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 타이어의 압력 및 온도 측정용 표면탄성파 센서의 작용을 설명하면 다음과 같다.

도면을 다시 참조하면, 우선, 타이어 온도 및 압력 등의 측정을 위해 외부 장치에서 짧은 마이크로파 펄스를 외부안테나(300)를 통해 전송하게 된다. 그리고 주파수의 마이크로파 펄스 신호는 외부안테나(300)를 통해 입사되어 입출력 IDT(100)에서 탄성파 신호로 변환되게 된다.

이렇게 탄성파로 변환된 신호는 좌우측 루프의 중앙에 위치한 탄성파 흡수체(500)를 통과하지 못하므로 좌우측 루프에서 각각 시계 방향과 반시계 방향으로 이동하여 단계적으로 3개의 반사판(200,210)에 의해 반사되게 된다.

상기 반사판(200,210)은 탄성파의 반사율을 높이도록 구성하여 입출력 IDT(100)에서 시계방항과 반시계 방항으로 각각 출발한 신호가 한 바퀴 회전을 통해 다시 입출력 IDT(100)에 도착하여 전기신호로 바뀌게 되고, 이 신호는 외부안테나(300)를 통하여 외부로 출력된다. ]

또한 좌우측 루프의 길이가 다르므로 출력되는 신호는 시간차가 발생한다. 한 바퀴 돌아서 도착하는 탄성파 신호는 각 반사판(200, 210)의 반사율에 따라 결정된다.

예컨대, 우측 루프를 온도 및 압력 측정용으로 사용하는 경우 반사판(210)의 일부 및 전부에 압력에 따라 임피던스가 변하는 용량형센서 등을 연결하면 압력에 따라 각 반사판(210)에서의 탄성파 반사량이 변하게 되며 최종적으로 입출력 IDT(100)을 통해 출력되는 전기신호의 크기에 영향을 미치게 된다.

이러한 우측 루프의 전기신호의 변화량을 통해 압력을 계산한다. 그리고 좌측 루프도 3개의 반사판(200)이 연결되었는데 3개의 반사판(200)은 별도의 연결이 없는 상태로 구성되어 왼쪽 루프를 돌아 반사되는 신호는 기준신호를 발생하게 된다.

또한 압력에 의해 반사량이 변화된 신호와 기준신호의 크기차에 의해 압력을 좀더 정확히 계산한다. 그리고 좌우측 루프에서 한 바퀴 회전하는데 소요되는 시간은 탄성파의 이동속도에 연관된다. 탄성파의 이동속도는 온도에 따라 변하므로 왼쪽과 오른쪽 루프를 한 바퀴 돌아 입출력 IDT(100)에 입사되고 외부안테나(300)를 통해 출력되는 전기신호와 최초 시간의 시간차를 이용하여 온도를 계산한다.

또한 압력의 측정에 사용되는 용량형센서 등과 SAW센서는 외부에서 전원이 공급하지 않아도 작동하는 무전원 형태를 사용하여 전체 시스템이 타이어 내부에 무전원으로 설치 되도록 한다.

그리고 상기 입출력 IDT(100)에서 출발하여 각각 시계 방향과 반시계 방향으로 전달되는 탄성파는 한바퀴 이상 회전할 수 있으나, 한 바퀴 이상 회전하는 경우에는 전파과정에서 탄성파의 자체 감쇠에 의해 신호의 크기가 약해지게 된다.

따라서 입출력 IDT(100)에 외부안테나(300)를 통해 입사되는 마이크로파 펄스의 주기를 탄성파가 한바퀴 회전하는 시간과 별개의 시간으로 구성하여 한바퀴 이상 회전하는 탄성파에 의한 영향을 제거한다.

그리고 탄성파를 한 바퀴 회전시키는 구성은 반사율이 높은 반사판(200,210)을 사용하므로, 반사율이 낮은 반사판을 사용하는 종래에 비해 많은 양의 탄성파 및 전기신호가 반사되어 한 바퀴 회전하고 다시 외부안테나(300)를 통해 전송되는 장점이 있다.

또한 입출력 IDT(100) 및 반사판(200,210)은 주어진 주파수에만 반응하게 된다. 필요시 고주파를 사용하는 경우 고주파 동작을 위해서 전극 및 전극사이의 거리가 주파수에 반비례하여 줄어들게 된다.

그리고 상기 반사판(200,210)에 탄성파가 45°로 입사하여 45°로 반사되는 구조이므로, 반사판(200,210)에 탄성파가 수직으로 입사하는 기존의 기술에 비해 전극 및 전극사이의 거리가 cos45°만큼 더 길어질 수 있다.

이는 브래그(Bragg)식에 의해 쉽게 확인될 수 있다. 즉, 전극의 주기를 d, 탄성파의 파장을 λ, 탄성파의 반사판(200,210)에 대한 입사각을 θ라고 하면, 임의의 자연수 n에 대하여 반사가 될 조건은 아래의 브래그 식으로 나타낼 수 있다.

[식 1]

2d cosΘ = nλ

그러므로 정해진 파장에 대하여 d가 cosθ만큼 커질 수 있으며 본 발명의 경우에는 θ가 45°이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 타이어의 압력 및 온도 측정용 표면탄성파 센서는 다음과 같은 효과를 갖는다.

마이크로파 펄스의 주기를 탄성파가 한바퀴 회전하는 시간과 별개의 시간으로 구성하여 한바퀴 이상 회전하는 탄성파에 의한 영향을 제거할 수 있고, 반사율이 높은 반사판을 사용하므로 많은 양의 탄성파 및 전기신호가 반사되어 한 바퀴 회전하고 다시 외부안테나를 통해 전송시킬 수 있어 반사되어 나오는 전기신호의 크기를 크게 할 수 있다.

상기 반사판에 탄성파가 45°로 입사하여 45°로 반사되는 구조이므로, 반사판에 탄성파가 수직으로 입사하는 기존의 기술에 비해 전극 및 전극사이의 거리가 cos45°만큼 더 길어질 수 있어 제작을 쉽게 할 수 있거나 또는 비용을 줄일 수 있으며, 내부 전기장의 크기를 줄일 수 있어 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

도 1은 종래의 기술에 따른 타이어의 압력 및 온도 측정용 표면탄성파 센서의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.

도 2는 본 발명에 따른 타이어의 압력 및 온도 측정용 표면탄성파 센서의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100. 입출력 IDT

200,210. 반사판

300. 외부안테나

400. 압력 센서

500. 탄성파 흡수체

Claims

압전기판과;

상기 압전기판의 외부에 설치된 외부안테나와 연결되며, 상기 압전기판의 중앙 일측에 마련된 입출력 IDT와;

상기 입출력 IDT를 중심으로 좌우에 각각 꼭지점이 맞닿는 형태의 사각형 모양으로 형성된 2개의 루프에 각각 3개씩 마련된 반사판과;

상기 두개의 사각형 중앙에 마련되어 탄성파가 대각선 방향으로 진행할 수 없도록 하는 탄성파 흡수체;를 포함하여,

무전원으로 타이어의 압력 및 온도 측정하는 것을 특징으로 하는 타이어의 압력 및 온도 측정용 표면탄성파 센서.
제1항에 있어서,

상기 판사판은 상기 2개의 사각형의 꼭지점에 마련된 것을 특징으로 하는 타이어의 압력 및 온도 측정용 표면탄성파 센서.
제1항에 있어서,

상기 압력측정에 사용하기 위해 상기 반사판의 일부 또는 전부에 압력에 따라 임피던스가 변하는 압력 센서가 연결되는 것을 특징으로 하는 타이어의 압력 및 온도 측정용 표면탄성파 센서.
제1항에 있어서,

상기 좌측 루프의 상기 반사판과 상기 우측 루프의 반사판의 탄성파 반사율은 높게 하고, 상기 좌우측 중 하나는 기준신호 발생에 사용되며, 다른 하나는 온도 및 압력의 측정에 사용되는 것을 특징으로 하는 타이어의 압력 및 온도 측정용 표면탄성파 센서.
제1항에 있어서,

상기 좌측 루프와 상기 우측 루프의 길이는 서로 다르게 형성하여 출력 신호에 시간차를 주도록 하는 것을 특징으로 하는 타이어의 압력 및 온도 측정용 표면탄성파 센서.
제1항에 있어서,

상기 타이어의 온도 및 압력 등의 측정을 위해 외부장치에서 짧은 마이크로파 펄스를 상기 외부안테나를 통해 전송하게 되면, 상기 외부안테나를 통해 입사되어 상기 입출력 IDT에서 탄성파 신호로 변환되며, 상기 반사판에 상기 탄성파가 45°로 입사하여 45°로 반사되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 타이어의 압력 및 온도 측정용 표면탄성파 센서.