KR100760310B1

KR100760310B1 - 응력파 감지센서를 이용한 자동차 에어백 시스템 및 그작동방법

Info

Publication number: KR100760310B1
Application number: KR1020060032425A
Authority: KR
Inventors: 허훈; 조상순
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2006-04-10
Filing date: 2006-04-10
Publication date: 2007-09-20
Also published as: JP2007276759A; US7556118B2; US20070235996A1; EP1844989B1; EP1844989A1; DE602007001257D1; JP4778915B2

Abstract

본 발명은 자동차 에어백 시스템에 관한 것으로서, 차량의 충돌시 발생되는 응력파를 시간에 따라 측정하는 응력파 감지센서와, 응력파 감지센서의 출력을 받아서 작동신호를 발생시키는 전자제어장치와, 전자제어장치의 작동신호에 따라 가스를 발생시키는 가스 발생기, 및 가스 발생기의 가스가 내부로 공급됨에 따라 전개되는 에어백으로 구성된다. 특히, 본 발명의 응력파 감지센서는 자동차 프레임또는 크래시 박스의 응력파 전파 경로를 따라 순차적으로 2개 이상이 설치되어, 자동차 프레임 또는 크래시 박스를 따라 전달되는 응력파를 각각 순차적으로 측정하면서, 응력파의 크기가 충돌 판단기준 이상인 경우에만 출력신호를 전자제어장치로 전달하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 구성으로 인해, 본 발명의 자동차 에어백 시스템 및 그 작동방법은 차량 충돌시 자동차 프레임에 전달되는 응력파를 응력파 감지센서가 감지함으로써 종래기술의 방식에 비해 차량 충돌 감지시간을 크게 단축하여 보다 빠르게 에어백을 작동시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

응력파 감지센서를 이용한 자동차 에어백 시스템 및 그 작동방법{System and Operating Method for Automotive Airbag Using the Stress Waves Sensor}

도 1 및 도 2는 종래기술에 따른 자동차 에어백 시스템에 사용되는 강구-튜브형 센서의 작동 상태도들이고,

도 3 및 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 자동차 에어백 시스템에 사용되는 응력파 감지센서 및 이런 응력파 감지센서가 설치된 자동차 프레임 부위를 각각 나타낸 개략도들이고,

도 5 내지 도 7은 도 3에 도시된 응력파 감지센서가 설치되는 자동차 프레임의 각 부위를 분리 도시한 개략도들이고,

도 8은 도 3에 도시된 응력파 감지센서에서 측정한 응력파와 시간과의 관계를 나타낸 그래프이고,

도 9는 도 4에 도시된 응력파 감지센서에서 측정한 응력파와 시간과의 관계를 나타낸 그래프이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 강구(steel ball)-튜브형 센서

20 : 응력파 감지센서

본 발명은 자동차 에어백 시스템에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 차량 충돌시 자동차 프레임에 전달되는 응력파를 응력파 감지센서가 감지함으로써 종래기술의 방식에 비해 차량 충돌 감지시간을 크게 단축하여 보다 빠르게 에어백을 작동시킬 수 있는 자동차 에어백 시스템 및 그 작동방법에 관한 것이다.

일반적인 자동차의 운행 원리를 살펴보면, 운전자가 가속 패달을 밟아서 자동차를 가속시키면 탑승자는 후방으로 관성력을 받게 되고, 운전자가 브레이크 패달을 밟아서 자동차를 감속시키면 탑승자는 전방으로 관성력을 받는다. 특히, 자동차를 고속으로 운행하던 도중에 급정거를 하거나 충돌사고가 발생하면, 탑승자는 매우 큰 전방 관성력을 받게 되어 자동차의 전면 유리창이나 대시보 등에 충돌하는 1차 충격과, 유리창을 뚫고 나가게 되어 지면이나 도로 설치물 등에 충돌하는 2차충격을 받게 되어 치명적인 부상을 입게 될 수 있다. 이와 같은 교통사고에 대비해서, 종래에는 안전벨트 장착을 의무화하고 있으나, 탑승자가 안전벨트를 착용하더라도 차량 충돌시에 운전자나 탑승자의 상체가 전방으로 심하게 굽혀지면서 머리, 목, 가슴 등에 충격이 전해질 수 있는 위험성은 여전히 존재한다. 이러한 실정을 감안하여 최근 생산되는 자동차는 에어백 시스템을 구비하여, 자동차 급정거 또는 충돌시에 운전자와 탑승자의 안전을 보호할 수 있도록 생산된다. 이런 자동차 에어백 시스템은 차량 충돌과 같이 차체가 급감속되면서 탑승자가 관성력에 의해 전방으로 진행하려는 경우에, 이를 순간적으로 감지하여 에어백이 전개되도록 고안된 것이다.

일반적인 자동차 에어백 시스템은 차량의 충돌을 감지하기 위한 센서와, 그 센서의 출력을 받아 가스 발생기를 작동시키며 시스템 전체의 자체 진단을 지속적으로 실시하는 전자제어장치와, 탑승자를 보호하는 에어백, 및 에어백의 내부로 가스를 발생 공급시키는 가스 발생기 등으로 구성된다. 이런 자동차 에어백 시스템의 구성요소 중에서 센서는 차량의 충돌을 감지하기 위하여 매우 다양한 종류의 센서가 사용되고 있다.

종래기술에 따른 센서에는 감지질량(sensing mass)의 관성을 이용하여 충격에 따른 관성력이 어느 한계를 초과할 때 전기적 접점이 개폐되도록 하는 전기-기계식 센서(electro-mechanical sensor)와, 감지질량의 관성을 이용하여 가스발생기의 뇌관을 기계적으로 격발시키는 기계식 센서(mechanical sensor), 그리고 차체에 걸리는 가속도를 연속적으로 측정하고 전자 논리회로에서 측정된 가속도 파형을 분석하여 에어백의 작동 여부를 결정하는 전자식 센서(electronic sensor) 등이 있다. 상기 기계식 센서와 전기-기계식 센서는 감지질량의 관성을 이용한다는 점에 있어서 유사성이 있으나 출력의 형태에 따라 달리 구분된다. 즉, 기계식 센서는 격침식 뇌관과 함께 사용되는 것으로 센서의 출력이 뇌관을 격발시키기 위한 격침의 기계적 에너지가 되는 것이고, 전기-기계식 센서는 일종의 전기적 스위치 역할 을 할 뿐이며, 그 센서의 작동에 의해 전자 제어장치에서 전기식 뇌관으로 전기적 격발 에너지를 공급하도록 구성된 것이다. 이 중에서 전기-기계식 센서는 그 가격이 비교적 저렴하고 자체 진단이 가능한 이점이 있어서 자동차 에어백 시스템용으로 가장 널리 활용되고 있다.

도 1 및 도 2는 종래기술에 따른 자동차 에어백 시스템에 사용되는 강구-튜브형 센서의 작동 상태도들이다.

도 1 및 도 2에 도시된 강구-튜브형 센서(10)는 종래기술에 따른 전기-기계식 센서로서 미국 브리드 오토모티브(Breed Automotive)사에 의해 생산되면서 가장 널리 보급되어 있고, 미국특허등록 제3974350호(출원번호,1974-491291)에 공지되어 있다.

강구-튜브형 센서(10)는 센서 하우징(11)의 외부 일측에 편향자석(12)이 고정되고, 센서 하우징(11)의 타측 내부에 상호 이격되게 대향하는 한 쌍의 전기접점(13)이 설치된다. 그리고, 편향자석(12)과 한 쌍의 전기접점(13)의 사이에는 횡방향으로 형성된 가이드 튜브(14)의 내부를 따라 직선이동될 수 있는 강구(steel ball ; 15)가 내장 설치된다. 이와 같은 강구-튜브형 센서(10)는 도 1과 같이 자동차가 정상 운행하는 경우에 편향자석(12)의 자력에 의해 가이드 튜브(14)의 일측에 위치하며, 이때 한 쌍의 전기접점(13)은 개방된 상태로 센서 내부의 회로저항이 무한대가 된다. 이렇게 강구-튜브형 센서(10)는 자동차 정상 운행시 도 1과 같이 유지되다가, 차량 충돌상황이 발생되면 도 2와 같은 상태로 변경된다. 즉, 강구-튜브형 센서(10)의 강구(15)는 일정 크기 이상의 감가속도가 작용하면, 상대적인 관성력이 작용하면서 편향자석(12)에 의한 구속력을 극복하고 정상 운행 상태의 위치에서 이탈된다. 그리고, 강구(15)가 도 2와 같이 한 쌍의 전기접점(13) 사이에 도달되면, 센서 내부의 스위칭회로가 단락되면서 내부 회로 저항값이 "0"에 가깝게 된다. 그러면, 강구-튜브형 센서(10)는 에어백 작동신호 출력을 전자제어장치로 송출한다.

상기 설명한 바와 같은 일반적인 전기-기계식 센서는 여러 실험을 통해 밝혀진 바로 차량 충돌시점부터 에어백 작동신호를 출력하기까지 약 10~20ms의 시간이 소요되어, 자동차 에어백 시스템은 최종적으로 에어백이 완전히 전개되는 순간까지 약 40~50ms의 시간이 총 소요되는 것으로 확인되었다. 하지만, 실제 차량 충돌실험에서는 차량 충돌시점부터 에어백이 완전히 전개되기까지 약 30~40ms의 시간이 소요되는 경우도 있음이 확인되었다. 따라서, 자동차 에어백 시스템은 운전자 및 탑승객의 안전을 완벽하게 보장하기 위해서 차량 충돌시점부터 에어백이 완전히 전개되는 순간까지 소용되는 시간을 감소시킬 필요성이 있다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제공된 것으로서, 차량 충돌시 자동차 프레임 또는 크래시 박스에 전달되는 응력파를 응력파 감지센서가 감지함으로써 종래기술의 센서방식에 비해 차량 충돌 감지시간을 크게 단축시켜 보다 빠르게 에어백을 전개시킬 수 있는 자동차 에어백 시스템 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자동차 에어백 시스템은, 차량프레임의 프레임 부재 상에 장착되고, 충돌에 의해 발생된 응력파를 순차적으로 측정함으로써 충돌을 감지하는 복수의 응력파 감지센서와, 상기 복수의 응력파 감지센서의 출력을 받아서 작동신호를 발생시키는 전자제어장치와, 상기 전자제어장치의 작동신호에 따라 가스를 발생시키는 가스 발생기, 및 상기 가스 발생기의 가스가 내부로 공급됨에 따라 전개되는 에어백을 포함하며, 상기 복수의 응력파 감지센서는 차량의 충돌 시 발생되는 응력파가 전파되는 경로인 자동차 프레임 또는 크래시 박스의 부재 상에 소정 간격으로 응력파의 전파경로를 따라 순차적으로 각각 설치되고, 상기 전자제어장치는 상기 복수의 응력파 감지센서 각각에서 공통적으로 충돌 판단기준 이상의 응력을 출력하고, 또한 상기 복수의 응력파 감지센서의 출력이 상기 응력파의 전파경로를 따라 순서대로 입력될 때에, 차량 충돌로 인식하여 상기 작동신호를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

삭제

또한, 상기 복수의 응력파 감지센서는 일정 형상을 갖는 센서 모듈 박스에 순차적으로 내장되고, 상기 센서 모듈 박스가 상기 자동차 프레임 또는 상기 크래시 박스에 장착되는 더 바람직하다.

또한, 상기 복수의 응력파 감지센서는 프레임 부재의 변형에 의한 전기적 저항의 변화를 검출하여 응력파를 순차적으로 측정하는 스트레인 게이지(strain gauge) 또는 압전현상을 이용하여 응력파를 순차적으로 측정하는 압전소자형 감지센서 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

본 발명의 자동차 에어백 시스템의 작동방법은, 차량의 충돌에 의해 자동차의 프레임 또는 크래시 박스를 따라 전파되는 응력파를 자동차 프레임 또는 크래시 박스의 부재 상에 소정 간격으로 응력파의 전파경로를 따라 순차적으로 각각 설치되는 복수의 응력파 감지센서로 순차적으로 측정하는 단계와; 상기 복수의 응력파 감지센서 각각에서 공통적으로 충돌 판단기준 이상의 응력을 출력하고, 또한 상기 복수의 응력파 감지센서의 출력이 상기 응력파의 전파경로를 따라 순서대로 입력될 때에, 차량 충돌로 인식하여 전자제어장치에서 작동신호를 출력하는 단계; 및 상기 전자제어장치의 출력신호를 기반으로 가스 발생기를 작동시켜서 에어백의 내부로 가스를 공급하여 상기 에어백을 전개시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

삭제

아래에서는 응력파 감지센서를 이용한 자동차 에어백 시스템 및 그 작동방법에 대한 한 실시예를 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하겠다.

본 발명의 자동차 에어백 시스템은 차량의 충돌을 감지는 응력파 감지센서와, 응력파 감지센서의 출력을 받아서 작동신호를 발생시키는 전자제어장치와, 전자제어장치의 작동신호에 따라 가스를 발생시키는 가스 발생기, 및 가스 발생기의 가스가 내부로 공급됨에 따라 전개되는 에어백으로 구성된다. 특히, 본 발명은 차량 충돌시 발생되는 응력파를 응력파 감지센서가 측정함으로써, 종래기술의 방식에 비해 차량 충돌 감지시간을 현저하게 감소시킬 수 있다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 자동차 에어백 시스템에 사용되는 응력파 감지센서 및 이런 응력파 감지센서가 설치된 자동차 프레임 부위를 각각 나타낸 개략도들이고, 도 5 내지 도 7은 도 3에 도시된 응력파 감지센서가 설치되는 자동차 프레임의 각 부위를 분리 도시한 개략도들이다.

도 3 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 응력파 감지센서(20)는 차량 충돌시 발생되는 응력파를 측정하기 위한 것으로서, 설치여건 및 제작단가 등을 고려하여 여러 형태의 센서가 사용될 수 있다. 가장 바람직하게 사용될 수 있는 응력파 감지센서(20)로는 스트레인 게이지(strain gauge)가 있다. 스트레인 게이지는 각 부재의 미소 변형에 의한 전기적 저항의 변화로부터 변형률과 응력을 검출할 수 있는 센서로서, 충돌이 발생한 후 자동차 프레임 부재를 따라 전파되는 응력파를 시간에 따라 측정할 수 있다. 또한, 응력파 감지센서(20)로는 압전현상을 이용하여 응력을 측정하는 압전소자형 감지센서도 사용될 수 있다.

이런 응력파 감지센서(20)는 차량 충돌시 응력파가 주로 전파되는 자동차 프레임 또는 크래시 박스 경로상에 2개 이상이 일정 간격으로 설치되는 것이 바람직하다. 이는 어느 일부 응력파 감지센서(20)가 어느 특정한 이상 신호에 의해 작동되는 오류를 배제하면서, 응력파 전파경로를 따라 위치하는 다수 개의 응력파 감지센서(20)들이 공통적으로 충돌 판단기준 이상의 응력을 측정하는 경우에만 차량 충돌로 인식하기 위한 것이다. 또한, 본 발명의 응력파 감지센서(20)는 자동차 프레임 또는 크래시 박스에 직접 부착될 수도 있지만, 다수 개의 응력파 감지센서(20)들이 일정 형상을 갖는 센서 모듈 박스에 내장된 상태로 설치될 수도 있다. 즉, 본 발명은 응력파 감지센서(20)가 센서 모듈 박스의 형태로 자동차 프레임에 장착되며, 필요에 따라 센서 모듈 박스의 제거도 가능함으로써 교체 설치작업이 용이하 도록 제작된다.

아래에서는 자동차 프레임에 설치된 응력파 감지센서를 이용하는 자동차 에어백 작동방법에 대해 설명하겠다.

정면충돌을 감지하기 위한 응력파 감지센서들은 도 5 및 도 6에 도시된 같이 자동차 프레임의 전방에 위치한 프런트 사이드부재(32R, 32L) 또는 크래시 박스(37R, 37L)에 각각 설치된다. 차량 정면충돌이 발생되면, 자동차 범퍼(31)로부터 발생된 응력파는 크래시 박스(37R, 37L), 프런트 사이드부재(32R, 32L), 프런트 레일부재(33R, 33L)를 따라 연속적으로 전파된다. 그러면, 응력파 감지센서들은 크래시 박스(37R, 37L) 또는 프런트 사이드부재(32R, 32L)를 따라 전파되는 응력파를 시간에 따라 측정한다. 그런 다음에 응력파 감지센서들은 측정된 응력파의 크기가 충돌 판단기준 이상인 경우에 정면 충돌상황으로 인식함으로써, 자동차 에어백 시스템의 전자제어장치가 가스 발생기를 작동시켜 결과적으로 정면 에어백이 전개되도록 한다.

측면충돌을 감지하기 위한 응력파 감지센서들은 도 7에 도시된 같이 자동차 프레임의 양 측면 방향에 위치한 한 쌍의 락커부재(35R, 35L)들 사이를 연결하는 크로스 지지부재(34)에 각각 설치된다. 차량 측면충돌이 발생되면, 자동차의 락커부재(35R, 35L) 또는 B-필라부재(36R, 36L)로부터 발생된 응력파는 크로스 지지부재(34)를 따라 연속적으로 전파된다. 그러면, 응력파 감지센서들은 크로스 지지부재(34)를 따라 전파되는 응력파를 시간에 따라 측정한다. 그런 다음에 응력 감지 센서들은 상기 자동차 정면 충돌과 동일한 원리에 의해서 응력파의 크기가 충돌 판단기준 이상인 경우에 측면 충돌상황으로 인식함으로써, 자동차 에어백 시스템의 전자제어장치가 가스 발생기를 작동시켜 결과적으로 측면 에어백이 전개되도록 한다.

다만, 본 발명의 자동차 에어백 시스템은 응력파 감지센서가 충돌 판단기준 미만의 응력파를 측정하는 경우에 정상 상태로 인식하고, 에어백을 전개하지 않는다. 또한, 본 발명의 자동차 에어백 시스템은 응력파가 자동차 프레임을 따라 일방향으로 전파되기 때문에, 이런 응력파를 측정하는 응력파 감지센서(센서 #1, 센서 #2, 센서 #3)들의 측정 순서가 뒤바뀌는 경우에도 측정 오류로 인식하고, 에어백을 전개하지 않는다.

도 8 및 도 9에 도시된 그래프는 본 발명에 따른 응력파 감지센서(센서 #1, 센서 #2, 센서 #3)들을 이용하여 차량 충돌 상황하에서의 응력파를 측정한 결과를 도시한 것이다. 응력파는 자동차 프레임의 자재로 사용되는 강판에서 약 5000m/s의 속도로 전파되며, 충돌지점으로부터 가장 멀리 위치하는 응력파 감지센서(센서 #3)까지의 거리는 최대 0.5m로 설정된다. 이런 실험조건하에서 본 발명의 자동차 에어백 시스템을 다수 회 실험한 결과 그 충돌 감지시간이 평균 약 0.1ms이었고, 이런 실험 결과값은 충돌 감지시간이 약 10~20ms인 종래기술의 방식에 비해 현저하게 감소된 수치였다. 이로 인해 본 발명의 자동차 에어백 시스템은 차량 충돌시점부터 에어백이 완전히 전개되기까지 총 30ms 정도의 시간이 소요됨으로, 운전자 또는 탑승자의 안전을 보다 확실하게 보장할 수 있다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 자동차 에어백 시스템은 차량 충돌시 자동차 프레임 또는 크래시 박스에 전달되는 응력파를 응력파 감지센서가 감지함으로써 종래기술의 방식에 비해 차량 충돌 감지시간을 크게 단축하여 보다 빠르게 에어백을 작동시킬 수 있는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 응력파 감지센서를 이용한 자동차 에어백 시스템 및 그 작동방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

차량프레임의 프레임 부재 상에 장착되고, 충돌에 의해 발생된 응력파를 순차적으로 측정함으로써 충돌을 감지하는 복수의 응력파 감지센서와,

상기 복수의 응력파 감지센서의 출력을 받아서 작동신호를 발생시키는 전자제어장치와,

상기 전자제어장치의 작동신호에 따라 가스를 발생시키는 가스 발생기, 및

상기 가스 발생기의 가스가 내부로 공급됨에 따라 전개되는 에어백을 포함하며,

상기 복수의 응력파 감지센서는 차량의 충돌 시 발생되는 응력파가 전파되는 경로인 자동차 프레임 또는 크래시 박스의 부재 상에 소정 간격으로 응력파의 전파경로를 따라 순차적으로 각각 설치되고,

상기 전자제어장치는 상기 복수의 응력파 감지센서 각각에서 공통적으로 충돌 판단기준 이상의 응력을 출력하고, 또한 상기 복수의 응력파 감지센서의 출력이 상기 응력파의 전파경로를 따라 순서대로 입력될 때에, 차량 충돌로 인식하여 상기 작동신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 응력파 감지센서를 이용한 자동차 에어백 시스템.
삭제
청구항 1에 있어서,

상기 복수의 응력파 감지센서는 일정 형상을 갖는 센서 모듈 박스에 순차적으로 내장되고, 상기 센서 모듈 박스가 상기 자동차 프레임 또는 상기 크래시 박스에 장착되는 것을 특징으로 하는 응력파 감지센서를 이용한 자동차 에어백 시스템.
청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,

상기 복수의 응력파 감지센서는 프레임 부재의 변형에 의한 전기적 저항의 변화를 검출하여 응력파를 순차적으로 측정하는 스트레인 게이지(strain gauge) 또는 압전현상을 이용하여 응력파을 순차적으로 측정하는 압전소자형 감지센서 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 응력파 감지센서를 이용한 자동차 에어백 시스템.
삭제
차량의 충돌에 의해 자동차의 프레임 또는 크래시 박스를 따라 전파되는 응력파를 자동차 프레임 또는 크래시 박스의 부재 상에 소정 간격으로 응력파의 전파경로를 따라 순차적으로 각각 설치되는 복수의 응력파 감지센서로 순차적으로 측정하는 단계와;

상기 복수의 응력파 감지센서 각각에서 공통적으로 충돌 판단기준 이상의 응력을 출력하고, 또한 상기 복수의 응력파 감지센서의 출력이 상기 응력파의 전파경로를 따라 순서대로 입력될 때에, 차량 충돌로 인식하여 전자제어장치에서 작동신호를 출력하는 단계; 및

상기 전자제어장치의 출력신호를 기반으로 가스 발생기를 작동시켜서 에어백의 내부로 가스를 공급하여 상기 에어백을 전개시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 응력파 감지센서를 이용한 자동차 에어백 시스템의 작동방법.