KR100837034B1

KR100837034B1 - 충격 센서

Info

Publication number: KR100837034B1
Application number: KR1020067017973A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 알 스터브
Original assignee: 키 세이프티 시스템즈 인코포레이티드
Priority date: 2004-03-05
Filing date: 2004-11-05
Publication date: 2008-06-10
Also published as: US20060261918A1; EP1571430B1; WO2005095908A1; EP1571430A3; US7298237B2; CN100491936C; US20050194240A1; US20060261917A1; US7312679B2; EP1571430A2; US7081801B2; KR20060116243A; CN1926412A; JP2007527009A

Abstract

충격 센서(20; 58)는 감지 코일(26; 74) 내부에 배치되는 Terfenol-D®형태 감지 요소(22; 76)를 갖는 하우징(27)을 구비한다. Terfenol-D® 감지 요소(22; 76)와 결합 관계로 영구 바이어스 자석(24)이 배치되고, 스페이서가 Terfenol-D® 감지 요소(22; 76)와 결합하며 하우징(27)으로부터 연장된다. 하우징(27)은 하나 또는 두 개의 장착 구멍을 갖는 비임(34; 64)을 가지며, 상기 장착 구멍을 통해서 체결구(52)가 연장되어 충격 센서(20; 58)를 구성 요소(54)에 장착한다. 하우징(27)은 스페이서를 구성 요소(54)에 대해 압축 배치한다. 대안적 실시예에서는 바이어스 자기장을 제공하기 위해 감지 코일(26; 74)에 DC 전류(72)가 공급될 수 있다. 고주파 필터(78)는 인가된 DC 바이어스 전류로부터 충격 감지 신호를 분리한다.

Description

충격 센서{MAGNETOSTRICTIVE STRESS WAVE SENSOR}

본 발명은 자동차와 같은 기계를 응력 및 충돌에 대해 감시하기 위한 충격(shock) 센서에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 자왜(磁歪:magnetostrictive) 효과를 사용하는 충격 센서에 관한 것이다.

오늘날의 자동차는 안전벨트 텐셔너(tensioner)에서 에어백 및 연료 차단 밸브에 이르기까지 여러가지 사고방지 시스템을 구비하고 있다. 각종 사고방지 시스템의 작동을 적절히 촉발시키기 위해서, 충격 센서가 사용되어 충돌의 시작을 검출하고 충돌의 심각성(severity)을 결정한다. 사고방지 시스템의 사용을 최적화하기 위해서는, 예상되는 충돌의 심각성을 가능한 한 빨리 아는 것이 중요하다. 충돌 심각성을 조기에 검출하고 사고방지 시스템을 조기에 전개(deploy)시킴으로써 보다 나은 결과가 얻어질 수 있다. 동시에, 안전벨트와 같은 소극적 안전장치가 심한 부상을 방지하는데 충분할 것 같은 덜 심각한 충돌에서 사고방지 시스템이 전개되지 않으면 상당한 비용이 절감될 수 있다. 자동차가 많은 수의 에어백 및 기타 전개가능한 사고방지 시스템을 채용함에 따라, 전개된 사고방지 시스템의 교체 비용은 충돌후 수리 비용의 상당 부분이 된다. 물론, 심각한 충돌의 경우, 모든 사고방지 시스템의 전개가 바람직할 때, 자동차는 충돌에 의한 과도한 손상으로 인해 잔여 가치가 거의 없을 수도 있다. 조기 전개의 이익 대 불필요한 전개 비용 사이의 이러한 상충 관계는 충돌 초기에 충돌의 심각성을 나타낼 수 있는 센서에 초점을 맞추고 있다. 역자왜 효과 또는 빌라리 효과(Villari effect)를 채택하는 공지된 충격 센서의 한 형태는 철제 구성 요소에서의 충격파를 검출할 수 있다. 충격파는 충돌 시퀀스에서 조기에 충돌 심각성을 나타내도록 신호 처리될 수 있다. 그러나, 충돌 중에 자동차 구성 요소에서의 충격파를 검출하는 센서의 효용을 증대시키기 위해서는 비철제(non-ferrous) 구성 요소에서의 충격파 검출 능력, 및 대출력 전압을 갖는 센서가 바람직하다.

발명의 요약

본 발명의 충격 센서는 감지 코일 내부에 배치되는 Terfenol-D® 감지 요소를 채용한다. Terfenol-D® 감지 요소와 결합 관계로 영구 바이어스 자석이 배치되고, 스페이서는 Terfenol-D® 감지 요소와 결합하며, 바이어스 자석, Terfenol-D® 감지 요소, 및 감지 코일을 둘러싸는 하우징으로부터 연장된다. 상기 하우징은 두 개의 이격된 장착 구멍을 갖는 비임을 구비하며, 이 장착 구멍을 통해서 체결구가 연장되어 충격 센서를 자동차의 구성 요소에 장착한다. 비임의 장착은 스페이서를 자동차의 구성 요소에 대해 압축 배치한다. 상기 스페이서, Terfenol-D® 감지 요소, 및 바이어스 자석은, 비임에 수직하게 연장되는 비임의 원통형 부분에 배치되는 슬리브에 패키징된다. 이 비임은 체결구에 의해 자동차의 구성 요소에 장착된다. 그 주위에 감지 코일이 감기는 보빈이 Terfenol0-D®감지 요소 및 바이어스 자석 위에 배치되며, 이 보빈은 비임에 오버몰딩된다. 충격 센서가 장착되는 자동차 구성 요소에 도입되는 압축파는 구성 요소와 결합 유지되는 스페이서를 통과하고, 스페이서로부터 Terfenol-D® 감지 요소로 이동된다. 바이어스 자석의 자기장의 영향 하에서의 Terfenol-D® 감지 요소 내의 응력은 자기장 강도를 상당히 변화시키며 이는 결과적으로 코일의 출력 리드에 전압을 발생시킨다.

바람직한 실시예에서 센서는 수동적이며, 쉽게 검출되어 디지털화되는 큰 전압 출력을 갖는다. 대안적 실시예에서는, 바이어스 자기장을 제공하기 위해 감지 코일에 DC 전류가 공급될 수 있다. Terfenol-D® 감지 요소를 통해서 이동하는 충격에 의해 생성된 전압은, 인가되는 DC 바이어스 전류에서 충격 감지 신호를 분리하는 고주파 필터에 의해 검출될 수 있다. 충격 센서의 감지 출력에서의 간단한 직렬-연결된 커패시터가 고주파 필터로서 기능할 수 있다.

본 발명의 한 특징은 자동차와 같은 기계의 구성 요소 내에서의 충격파를 검출하는 충격 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 특징은 자동차와 같은 기계의 비철제 구성 요소 내에서의 충격파를 검출하는 충격 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 특징은 충돌 심각성을 조기 검출하기 위한 충격 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 추가적인 특징 및 장점은 첨부도면을 참조로 한 하기의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명의 충돌 센서의 분해 등각도,

도 2는 코일의 오버몰딩을 가상선으로 도시한 도 1의 충돌 센서의 등각도,

도 3은 본 발명의 충돌 센서의 대안적 실시예의 도시도,

도 4는 도 1의 충돌 센서의 장착을 도시하기 위해 절취된, 자동차의 개략 측면도,

도 5는 본 발명의 충돌 센서의 추가 대안적 실시예의 회로도.

유사한 부분에 대해 유사한 부호가 병기되는 도 1 내지 도 4를 참조하면, 도 2에는, 자동차에 충돌(crash) 센서로서 사용되는 것과 같은, 기계와 함께 사용될 수 있는 충격 센서(20)가 도 2에 도시되어 있다. 도 1에 도시된 충격 센서(20)는 3개의 기능 요소, 즉 하우징(27)에 장착되는 Terfenol-D®(Tb0.3 Dy0.7 Fe1.92) 감지 요소(22), 바이어스 자석(24), 및 감지 코일(26)을 구비한다. Terfenol-D®는 306, South 16^th, Ames Iowa 50010, U.S.A.소재의 Edge Technologies, Inc.의 등록 상표이다. 하우징(27)은 비임(34)에서 돌출하는 원통형 부분(32)을 갖는다. 충격 센서(20)는 감지 코일(26)이 감기는 보빈(28)을 포함한다. 보빈(28)은 원통형 하우징 부분(32) 위에 끼워지는 중심 개구(30)를 갖는다. 감지 코일(26)은 예를 들어 대략 1,000회 권선의 36 게이지 와이어를 가질 수 있다. 비임(34)은 원통형 하우징 부분(32)의 양쪽에서 연장되고 2개의 개구(36)를 갖는 바, 비임의 각 단부(38) 근처에 하나의 개구가 형성된다. 도 1에 도시한 바와 같이, 슬리브(40)에는 원통형 바이어스 자석(24), 원통형 Terfenol-D® 감지 요소(22), 및 상기 슬리브(40)로부터 돌출하는 원통형 이격 요소(42)가 로딩된다. 상기 바이어스 자석(24), 원통형 Terfenol-D® 감지 요소(22), 및 원통형 이격 요소(42)는 슬리브(40)에 압입되거나 본딩될 수 있다. 슬리브(40)는 이격 요소(42)가 비임(34)의 바닥면(46) 상의 랜드(44)를 지나서 돌출하도록 원통형 하우징(32) 내에 배치된다. 슬리브(40)는 원통형 하우징(32) 내에 압입되거나 본딩될 수 있다. 그 주위에 감지 코일(26)이 감기는 보빈(28)은 도 2에서 가상선으로 도시하듯이 오버몰딩된 밀폐체(48)에 의해 둘러싸인다.

단부 보스 또는 랜드(50)가 개구(36)를 둘러싸며, 장착면을 규정한다. 체결구(52)는 비임(34)의 단부 개구(36)를 통해서 연장되고, 도 4에 도시하듯이 자동차(56) 상의 크래쉬 센서로서 사용하기 위한 것과 같은 충격 센서(20)를 기계의 구성 요소(54)에 장착한다. 원통형 이격 요소(42)는, 단부 보스(50)가 구성 요소(54)의 일 부분과 접촉될 때 상기 이격 요소(42)가 체결구(52)와 Terfenol-D® 감지 요소 사이에서 하우징(27)의 비임(34)의 부분(57)의 휨에 의해 탄성 압축되도록 장착면을 지나서 연장된다. 하우징 부분(57)의 이러한 탄성 휨은 Terfenol-D® 감지 요소를 자동차(56)의 구성 요소(54)에 대해 압축한다. 이러한 압축 하중은 구성 요소(54)에서 Terfenol-D® 감지 요소(22)로의 충격파의 양호한 전달을 보장한다. 이격 요소(42)에서 Terfenol-D® 감지 요소(22)로의 충격 전달을 향상시키기 위해, 이격 요소(42)는 감지 요소(22)에 접착제로 본딩되는 것이 바람직하다.

코일로부터의 출력은, 감지 코일(26)내의 권선수, 바이어스 자석(24)의 바이어스 자기장, 충격 센서(20)가 장착되는 구성 요소의 조성, 이격 요소에 대한 예비-부하의 힘, 및 Terfenol-D® 감지 요소(22)와 충격 센서(20)가 장착되는 구성 요소 사이의 커플링에 영향을 미치는 다른 인자에 따라서 대략 0.2 내지 2.0볼트 이상일 수 있다.

도 3에는 대안적 실시예의 충격 센서(58)가 도시되어 있다. 충격 센서(58)는 충격 센서(20)와 유사하지만, 충격 센서(20)의 비임(34)의 대향 단부에 두 개의 개구(36)를 갖는 것과 달리, 외팔보(cantilever beam)(64)의 단부(62)에 하나의 장착 개구(60) 만을 갖는다. 충격 센서(58)는 감지 요소를 이격 요소(66)에 의해 자동차(56)의 구성 요소(54)에 대해 탄성 압축하는 바이어스 부재를 형성하는 외팔보(64)를 갖는 하우징(59)을 구비한다. 이격 요소(66)는 장치(20)에서와 같이, 보빈에 형성된 감지 코일(26) 내에서 연장되는 바이어스 자석과 결합한다.

충격 센서(58) 하우징은, 이격 요소(66)가 끼워지는 구멍을 둘러싸는 보스(68)를 갖는다. 장착 개구(60) 주위에서 하우징으로부터 장착 보스(70)가 돌출하며, 이 장착 보스(70)에 의해 장착면이 규정된다. 이격 요소(66)는 하우징으로부터 장착면을 지나서 연장된다. 장착면을 지나서 연장되는 이격 요소(66)에 의해 초래되는 외팔보(64)의 휨은 이격 요소(66)와 자동차(56)의 구성 요소(54) 사이에서의 압축 하중을 초래한다.

이격 요소(42)는 생략될 수 있으며, Terfenol-D® 감지 요소는 자동차 구성 요소(54)와 결합하도록 연장될 수 있다. 바이어스 자기장의 강도를 증가시키기 위해 제 2 바이어스 자석 또한 이격 요소(42)와 Terfenol-D® 감지 요소(22) 사이에 또는 이격 요소(42)를 대신하여 사용될 수 있다. 자석은 바람직하게는, 예를 들면 네오디뮴-철-붕소 자석과 같이 희토류 금속으로 제조된 것과 같은 고강도 형태의 것일 것이다.

상기 바이어스 자석(24)은, Terfenol-D® 감지 요소(76)를 수납하는 감지 코일(74)에 인가되는 도 5에 도시된 DC 전압(72)으로 대체될 수 있다. 코일(74)의 출력은 커패시터(78)에 의해 형성되는 것과 같은 고주파 필터에 인가될 수 있다. 고주파 필터는 Terfenol-D® 감지 요소를 통과하는 충격파에 의해 생성된 전압을 공급되는 DC 바이어스 전압(72)으로부터 분리시킨다. 고주파 필터의 출력은 안전 시스템(80) 또는 자동차 충돌을 특징짓기 위한 다른 처리 회로에 공급될 수 있다.

Terfenol-D®는 Tb0.3 Dy0.7 Fe1.92의 합금이지만, 초자왜성 재료라는 용어는 미국 특허 제 4,308,474 호에 개시되어 있듯이 Tb 및 Dy와 같은 초자왜성 희토류의 각종 합금 및 Terfenol-D®를 포함하는 것으로 규정된다. 감지 조립체는 감지 요소(22)를 단독으로 구비하거나 감지 요소와 이격 요소(42)를 구비하는 것으로 규정된다.

Claims

기계(56)의 구성 요소(54)에 부착되는 장착면을 제공하는 단부 보스(50)을 구비하는 하우징(27)과,

상기 하우징(27)에 장착되며, 상기 하우징(27)에 장착된 초자왜 감지 요소(22; 76)에 바이어스 자기장을 제공하도록 배치되는 바이어스 자석(24)과,

충격파에 의해 상기 초자왜 감지 요소(22; 76)에 생성되는 자기장의 변화를 감지하기 위해, 상기 하우징(27)에 장착되어 상기 초자왜 감지 요소(22; 76)를 둘러싸는 코일(26; 74)과,

하우징(27)의 장착면을 기계의 구성 요소(54)에 대해 유지하기 위해 충격이 감지될 수 있는 기계(56)의 구성 요소(54)와 하우징(27) 사이에서 연장되는 체결구(52)를 포함하며, 상기 장착면을 제공하는 하우징(27)의 단부 보스가 상기 체결구(52)에 의해 기계의 구성 요소(54)에 대해 유지될 때, 상기 초자왜 감지 요소(22; 76)는 직접 또는 이격 요소를 통해서 기계의 구성 요소(54)에 대해 로딩되는 충격 센서(20; 58)에 있어서,

상기 하우징(27)은, 장착면과 초자왜 감지 요소(22; 76) 사이에서 연장되고 초자왜 감지 요소(22; 76) 또는 이격 요소를 기계의 구성 요소(54)에 대해 탄성적으로 바이어스시키는 탄성적인 가요성 부분(57)을 갖는

충격 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 바이어스 자석(24)은 초자왜 감지 요소(22; 76)와 직접 접촉하며, 상기 초자왜 감지 요소(22; 76)는 이격 요소에 본딩되는

충격 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 하우징(27)은 2개의 장착면을 가지며, 상기 장착면 사이에 상기 초자왜 감지 요소(22; 76)가 배치되고, 상기 하우징(27)은 각각의 장착면과 초자왜 감지 요소(22; 76) 사이에, 초자왜 감지 요소(22; 76) 또는 이격 요소를 기계의 구성 요소(54)에 대해 탄성적으로 바이어스시키는 탄성적인 가요성 부분(57)을 갖는

충격 센서.
제 1 항에 있어서,

바이어스 자석을 형성하기 위해 상기 코일(26; 74)에 DC 전원(72)이 연결되고, 상기 코일(26; 74)은 상기 초자왜 감지 요소(76)에 바이어스 자기장을 제공하도록 배치되며, 충격파에 의해 상기 초자왜 감지 요소(76)에서 생성되는 자기장의 변화를 감지하기 위해 상기 코일(26; 74)을 가로질러 전자 필터(78)가 연결되는

충격 센서.
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제 1 항에 있어서,

상기 감지 요소(22; 76)를 이격 요소(66)에 의해 상기 기계의 구성 요소(54)에 대해 탄성 압축하는 바이어스 부재를 형성하는 외팔보(64)를 갖는

충격 센서.
제 1 항 내지 제 4 항 또는 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 초자왜 감지 요소(22; 76)는 Terfenol-D®를 포함하는

충격 센서.
제 1 항 내지 제 4 항 또는 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 바이어스 자석(24)은 희토류 금속을 포함하는 고강도 형태인 것을 특징으로 하는

충격 센서.
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