KR100964052B1

KR100964052B1 - 일체형 수명 감지 성능을 갖는 구조체

Info

Publication number: KR100964052B1
Application number: KR1020087001624A
Authority: KR
Inventors: 개리 윌리엄 크루츠; 키이스 하메이어; 마이클 에이. 홀랜드
Original assignee: 퍼듀 리서치 파운데이션
Priority date: 2005-06-22
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2010-06-16
Also published as: US20070131035A1; CN101248343B; KR20080032109A; WO2007002266A2; EP1896822B1; EP1896822A2; JP4686603B2; CN101248343A; JP2008546590A; US7752904B2; WO2007002266A3

Abstract

구조적 파괴를 초래할 수 있는 응력을 받는 구조체(10, 50)가 개시된다. 구조체(10, 50)는 제1 및 제2 도전층(16, 18, 56, 58) 및 유전체, 반도체 또는 저항 재료로 형성된 이들 사이의 중간층(20, 60)을 포함하여, 제1 및 제2 도전층(16, 18, 56, 58)과 중간층(20, 60)이 조합되어 전기 요소, 즉 용량 또는 저항 요소를 형성한다. 전기 요소는 외적 요인 및 내적 요인으로부터 발생되는 구조체(10, 50)의 일시적 변형 및 영구적 변형에 물리적으로 반응하도록 구조체(10, 50) 내에 배치된다. 구조체(10, 50)는 전기 요소로부터 전기 신호를 발생시키도록 제1 및 제2 도전층(16, 18, 56, 58) 중 적어도 하나에 전위를 인가하고, 일시적 변형 및 영구적 변형에 물리적으로 반응하는 전기 요소에 반응하여 전기 요소에 의해 발생되는 전기 신호의 변화를 감지하고, 전기 신호의 변화를 구조체(10, 50)로부터 이격된 위치로 전송하는 것을 더 포함한다.

수명 감지, 도전층, 유전체, 반도체, 타이어, 파이프

Description

일체형 수명 감지 성능을 갖는 구조체 {STRUCTURES WITH INTEGRAL LIFE-SENSING CAPABILITY}

관련 출원과의 상호 참조

본 출원은 2005년 6월 22일자로 출원된 미국 가출원 제60/595,318호의 이익을 청구하고, 2005년 3월 4일자로 출원된 미국 가출원 제60/658,932호의 이익을 청구하는 2006년 3월 2일자로 출원된 공히 계류중인 미국 특허 출원 제11/276,500호의 일부 계속 출원이다.

본 발명은 일반적으로, 구조적 파괴(failure)를 초래할 수 있는 응력을 받는 구조체, 예컨대 정적인 또는 유동하는 유체와 접촉하거나 이를 보유하는 구조체에 관한 것이며, 그 예로는 가동 기계류(mobile machinery), 자동차, 항공 분야, 제조 분야 및 공정 설비에 사용되는 유형의 타이어, 에어포일(airfoil) 및 파이프를 포함한다. 더 구체적으로는, 본 발명은 구조체 내의 마모, 피로 및/또는 기타 구조적 파손과 관련된 수명 감지 수단(life-sensing means) 및 임박한 구조적 파과를 검출하기 위해 감지 수단의 출력을 전송하기 위한 수단이 구비된 구조체에 관한 것이다.

유체를 운반하는 도관의 파괴를 검출하기 위한 방법을 개발하는 데 대한 지 속적인 관심이 존재한다. 예를 들면, 네토(Neto)에게 허여된 미국 특허 제5,634,497호, 쉐발리어(Chevalier) 등에게 허여된 미국 특허 제6,386,237호 및 펠란(Phelan) 등에게 허여된 미국 특허 제6,498,991호는 호스(hose)의 벽 내에 매립된 하나 이상의 와이어 내의 전기 저항을 감지함으로써 마모된 호스를 검출하는 것을 개시한다. 이 특허들은 호스 또는 호스 와이어의 마모 또는 변형에 기인할 수 있는 저항의 점진적인 증가를 감지하는 것과는 대조적으로 마모로 인한 와이어의 파손으로부터 초래될 수 있는 것과 같은 매립된 와이어의 불연속성을 검출하는 것에 초점을 맞추고 있다.

스캐그스(Skaggs)에게 허여된 미국 특허 제5,343,738호는 호스 파괴를 용량적으로 감지(capacitively sensing)하기 위한 방법을 개시함으로써 차별화하고 있다. 스캐그스의 특허에서, 호스의 내부층을 통한 연료 누출은 누출된 연료가 호스 내에 매립된 한 쌍의 구리 와이어 사이의 절연 재료의 유전 특성을 변경시키는 것에 기초하여 감지된다. 스캐그스의 특허와 유사하게, 트라이바(Tryba) 등에게 허여된 미국 특허 제5,992,218호는 누출된 물이 절연층에 의해 분리된 한 쌍의 도전체 층 사이의 전기 절연층의 전도도를 증가시키는 것에 기초하여 호스를 통한 누수를 감지하는 것을 개시한다. 레드몬드(Redmond)에게 허여된 미국 특허 제5,969,618호는도 전기 전도도에 기초하여 호스의 파괴를 검출하기 위한 방법을 개시한다. 레드몬드의 특허의 호스는 분리된 와이어를 포함하는 환형체(annulus)를 갖도록 형성되며, 호스의 내부층의 파괴는 유체가 환형체 내부로 누출되어 와이어를 포함하는 전기 회로를 폐쇄한 때 감지된다.

호스의 임박한 파괴를 감지하기 위한 다른 접근법은 맥스웰(Maxwell)에게 허여된 미국 특허 제4,446,892호에 개시되어 있다. 맥스웰의 특허는 적어도 2개의 플라이(ply) 및 그들 사이의 감지 요소에 의해 형성된 유체(오일) 운반 호스를 개시한다. 맥스웰의 특허의 일 실시예에서, 감지 요소는 호스의 내부 플라이(ply)의 파괴의 결과로서 플라이들 사이에 존재하는 유체의 전자기 특성에 반응한다. 맥스웰의 특허의 제2 실시예에서, 감지 요소는 개방 회로를 제공함으로써 호스의 내부 플라이의 파괴에 반응한다. 감지 요소는 바람직하게는 내부 플라이 둘레를 감싸는 미세 와이어의 코일로서, 감지 요소는 상기 코일의 전기 임피던스(AC)의 변화에 반응하는 수단에 접속되는 것이 바람직하다. 이러한 변화는 코일과 접촉하는 재료 내부로의 유체 누출 또는 내부 플라이의 변형으로부터 발생하며, 상기 누출 및 변형은 모두 코일의 인덕턴스를 변화시킨다. 감지 요소가 주로 호스의 플라이들 사이의 유체(오일)의 누출에 반응하도록 되어 있는 대안적인 실시예에서, 맥스웰의 특허는 개별 와이어들 사이의 컨덕턴스의 변화 또는 개별 와이어들 사이의 커패시턴스의 변화에 반응하는 수단에 접속된 평행한 비접촉 와이어를 채용한다.

전술한 종래 기술은 특히, 유동이 존재하는 경우라도 매우 적게 발생할 수 있는 경우 및/또는 압력 사이클로부터의 용기 벽의 구조적 피로가 흔히 용기 수명에 있어서의 가장 중요한 인자인 경우의 유압 호스, 파이프 및 타이어 파이프와 같은 유체 용기와는 대조적으로, 유체가 하나의 위치로부터 다른 위치로 이송되는 도관에 관련된 것이다. 또한, 맥스웰의 특허에 의해 제안된 유형의 감지 시스템은 일반적으로 호스 벽 내에서의 누출의 검출이 임박한 파괴의 적절한 경고를 제공할 수 있는 비교적 저압인 시스템에서 유용하다. 그러나 비교적 고압의 유체가 가해지는 용기에서, 일단 누출이 발생하면, 파국에 이르는 파괴는 시간 단위 또는 심지어 분 단위가 아닌, 초 단위의 문제로 발생할 가능성이 있다. 따라서, 비교적 고압인 용기뿐만 아니라 높은 주기적 압력을 받는 다른 구조체의 임박한 파괴를 감지하는 것이 소망된다. 또한, 그러한 구조체의 구조적 파괴가 발생할 때를 예측하여, 구조체가 그 전체 수명 동안 안전하게 사용될 수 있고 그 후 구조체를 포함하는 임의의 유체 시스템 또는 구조체를 둘러싸는 임의의 물체에 어떠한 손상도 발생하기 전에 교체될 수 있도록 하는 것이 소망된다.

본 발명은 구조적 파괴를 초래할 수 있는 응력을 받는 유형의 구조체를 제공한다. 이러한 구조체는 특히 가동 기계류, 자동차, 항공 분야, 제조 분야 및 공정 설비에 사용되는 유형의 타이어, 에어포일 및 파이프를 포함하는, 고압의 정적인 또는 유동하는 유체와 접촉하거나 이를 보유하는 구조체를 포함한다. 구조체에는 임박한 구조적 파괴를 검출할 수 있도록, 구조체에 가해지는 외력과, 구조체 내의 마모, 피로 및/또는 다른 구조적 파손의 결과로서 생성되는 내력의 결과인 외적 요인 및 내적 요인에 의해 발생되는 구조체 내의 변형(distortion)에 반응하는 수단이 구비된다.

본 발명에 따르면, 구조체는 제1 및 제2 도전층을 포함하고, 그 사이에 유전체, 반도체 또는 저항 재료로 형성된 이들 사이의 중간층을 포함하여, 제1, 제2 및 중간층은 조합되어 전기 요소, 즉 용량 또는 저항 요소를 형성한다. 전기 요소는 외적 요인 및 내적 요인으로부터 발생되는 구조체의 일시적 변형 및 영구적 변형에 물리적으로 반응하도록 구조체 내에 배치된다. 구조체는 전기 요소로부터 전기 신호를 발생시키도록 제1 및 제2 층 중 적어도 하나에 전위를 인가하기 위한 수단과, 일시적 변형 및 영구적 변형에 물리적으로 반응하는 전기 요소에 반응하여 전기 요소에 의해 발생되는 전기 신호의 변화를 감지하기 위한 수단과, 전기 신호의 변화를 구조체로부터 이격된 위치로 전송하기 위한 수단을 더 포함한다.

타이어, 에어포일, 파이프 등과 같은 특정 구조체에 적용될 때, 도전층은 구조적 보강층뿐만 아니라 구조체의 전체 구조적 완전성에 긍정적이거나 부정적으로 영향을 주지 않는 수동층(passive layer)의 형태일 수 있다. 제1, 제2 및/또는 중간층의 변형에 반응하는 다양한 감지 기술이 본 발명과 함께 이용될 수 있다. 타이어 용도에서, 이러한 반응성은 타이어가 회전함에 따른 규칙적인 주기적 부하뿐만 아니라 변화하는 도로 및 차량 동역학, 타이어의 절단 및 펑크, 과속 또는 과부하, 타이어 불균형, 손상, 연석(curb)에 의한 충격, 경화, 부적절한 장착 및 장착 중의 손상, 임박한 트레드 분리 및 임박한 파열 파괴 등으로부터 발생하는 불규칙적인 부하 또는 부하 분포를 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 이와 같이, 다양한 요인으로부터 발생하는 변형을 모니터링함으로써, 본 발명은 구조체를 연속적으로 모니터링하고, 최종적으로 파국에 이르는 파괴가 발생하기 전에 구조체가 사용되지 않게 할 수 있는 능력을 제공한다.

본 발명의 다른 목적 및 장점은 이하의 상세한 설명으로부터 더 양호하게 이해될 것이다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 회로를 형성하도록 중간층에 의해 분리된 타이어 내의 한 쌍의 도전층을 도시하는, 림(rim)에 대해 밀봉된 타이어의 비드(bead)를 통한 단면도이다.

도2는 본 발명의 실시예에 따른 타이어의 트레드(tread) 내에 배치된 도전성층과 중간층을 노출시키기 위해 부분 절결된 타이어의 사시도이다.

도3 및 도4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 타이어의 트레드 내의 도전층에 전기적으로 접속하는 데 사용될 수 있는 센서 삽입체(insert)를 도시하는, 타이어의 트레드를 통한 개략 단면도이다.

도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도2의 타이어 내의 도전층으로서 사용될 수 있는 벨트 와이어를 도시하는, 타이어의 트레드를 통한 단면도이다.

도6 및 도7은 본 발명에 따른 도2의 타이어의 도전층으로서 사용될 수 있는 벨트 와이어의 2개의 대안적인 패턴을 도시하는 도면이다.

도8은 본 발명에 따른 타이어의 측벽의 모니터링을 돕도록 그리드를 포함하는 것을 개략적으로 도시하는 도면이다.

도9는 본 발명에 따른 타이어의 모니터링을 돕도록 근접 센서를 포함하는 것을 개략적으로 도시하는 도면이다.

도10 및 도11은 본 발명에 따른 전기 회로를 형성하도록 중간층에 의해 분리된 한 쌍의 도전층을 갖는 파이프의 다른 도면이다.

도1 내지 도11에 도시된 바와 같이, 본 발명은 예컨대 타이어, 파이프 등과 같은 비교적 고압인 용기를 포함하지만 이들로 제한되지 않는 큰 주기적 또는 간헐적 힘을 받는 제조된 구조체 내에 전기 회로를 생성시키고, 이러한 구조체의 일시적 변형 및 영구적 변형에 반응하여 발생하는 전기 회로의 변화를 감지하는 것을 포함한다. 이러한 변형은 가해지는 외력 및 구조체 내의 마모, 피로 및 기타 구조적 파손으로부터 발생하는 내력을 포함하는 외적 요인 및 내적 요인의 결과일 수 있다. 전기 회로는 커패시턴스, 저항 또는 인덕턴스의 변화를 감지할 수 있는 하나 이상의 용량 또는 저항 요소를 형성하기 위해 유전체, 반도체 또는 저항층에 의해 분리된 도전층들을 포함한다. 회로의 층들은 임박한 피로 파괴, 잔여 수명 및 고압 구조체에의 손상을 감지할 수 있도록 구성되며, 구조체의 구조적 파괴가 발생할 때를 예측할 수 있는 데이터 처리 회로에 결합될 수 있어, 구조체는 그 전체 수명 동안 안전하게 사용될 수 있고 그 후 구조체를 포함하는 임의의 시스템 또는 구조체를 둘러싸는 임의의 물체에 어떠한 손상도 발생하기 전에 교체될 수 있다.

본 발명은 본질적으로 비교적 고압 하에서 유동하거나 또는 정적인 유체와 접촉하거나 이를 보유하기 위한 다층 벽 구조를 가질 수 있는 임의의 구조체에 적용될 수 있다. 주목할만한 예로는 공압 타이어 및 파이프가 있다. 타이어와 관련하여, 본 발명은 예컨대, 타이어 트레드에 인접하여 다수의 층을 포함하도록 구성될 수 있는 솔리드 고무 타이어와 같은 솔리드 타이어(solid tire)에 적용될 수도 있다. 다른 적용예는 외부 에어포일 표면이 공기압 등의 변화로부터 발생하는 주기적이거나 또는 간헐적인 힘을 받는 다수의 층으로 구성된 복합재 항공기 날개를 포함한다.

도1은 림(14)(내부림 측 또는 외부림 측)에 대해 밀봉된 타이어(10)의 비드(12)를 통한 단면도로서, 중간층(20)에 의해 분리된 타이어(10) 내의 한 쌍의 도전체(16, 18)를 도시한다. 도전체(16, 18)는 림(14)이 전기 도전성 재료로 형성되는 것으로 가정할 때, 림(14)으로부터 전기적으로 절연된 림(14) 상의 도전성 스트립(22, 24)에 개별적으로 접속된다(이 도전성 스트립(22, 24)이 전위를 인가하기 위한 수단으로서 사용되는데, 이에 대해서는 후술함). 중간층(20)은 도전체(16, 18) 및 중간층(20)이 커패시터를 형성하도록 유전체 재료로 형성될 수도 있거나, 또는 도전체(16, 18) 및 중간층(20)이 저항 회로를 형성하도록 반도체 또는 전기 저항 재료로 형성될 수도 있다. 이하의 논의로부터 명백해지는 바와 같이, 도전체(16, 18) 및 중간층(20)은 타이어 구조의 기능적인 능동형(active) 또는 수동형(passive) 구성요소일 수 있다.

도2는 도1의 도전체(16, 18) 및 중간층(20)이 포함되거나 아니면 타이어(10)의 트레드(26)에 중간에 인접하는 3개의 층과 함께 전기적으로 일체화된 것으로 도시된 타이어(10)의 부분 절결도이다. 이로써, 이들 층은 이하에서 도전체(16, 18) 층 및 중간층(20)으로 지칭된다. 도2로부터 명백한 바와 같이, 본질적으로는 전체 타이어(10)는 도전체(16, 18) 층 및 중간층(20)에 의해 형성된 전기 구성요소를 포함하는 회로이다. 층들(16, 18, 20)은 트레드 영역에 제한된 것으로 도시되어 있지만, 도1로부터 명백한 바와 같이 비드(12) 내로 연장할 수 있다. 중간층(20)이 유전체 재료로 형성된 경우, 층들(16, 18, 20)은 층(20)의 두께 또는 전기 전도도의 변화에 반응하는 용량 센서로서 작동할 수 있는 커패시터를 형성한다. 중간층(20)이 반도체 또는 저항 재료로 형성된 경우, 도전체(16, 18) 층과 중간층(20)은 층(20)의 두께 또는 전기 전도도의 변화의 유도성 또는 저항성 감지가 가능한 유도 또는 저항 회로의 일부를 형성할 수 있다. 도전성 스트립(22, 24)을 통해 층(16, 18)에 걸쳐 전위를 인가함으로써(도1), 검출되어 전송 장치(34)에 의해 타이어(10)가 장착되는 차량에 설치된 수신 유닛(도시 안됨)에 무선으로 전송될 수 있는 전기 신호가 생성된다. 전송 장치(34)는, 예를 들면 타이어 압력을 모니터링하도록 개발된 기존의 압력 센서 및 칩 기술을 사용할 수 있다. 전송 장치(34)는 바람직하게는 전기 신호로부터 발생하는 원시 아날로그 데이터(raw analog data)를 처리하고, 아날로그 대 디지털 데이터 변환을 수행하며, 차량 제어기 네트워크의 노드와 같은 원격 수신 유닛에 디지털 데이터를 무선 전송하기 위한 회로를 포함한다. 트레드(26) 내에 그리고 그 아래에 있는 상태는 예컨대 과도한 가속 때문에 전송 장치(34)에 대해서는 바람직하지 않다. 따라서, 전송 장치(34)는 바람직하게는 림(14)에 인접하여 측벽(28)들 중 하나 내에 매립되어, 전송 장치(34)가 가속 수준이 최소화되는 위치에 배치된 것으로 도시된다. 도전성 전송 요소(36)는 본 발명의 감지 요소를 형성하는 도전층(16, 18)과 중간층(20)에 전송 장치(34)를 상호 접속시키는 것이 바람직하다. 피로에 의한 파괴를 억제하기 위해, 도전성 전송 요소(36)는 측벽(28) 내에 초박형 금속 구성요소로 형성될 수 있다. 그러한 일례는 매우 다양한 금속으로부터 약 10 마이크로미터(약 0.0005 인치)만큼 얇은 두께로 제조될 수 있는 코팅된 포토 에칭 스트랜드(coated photoetched strand)를 사용하는 것이다. 대안적으로, 도전성 전송 요소(36)는 측벽(28) 내에 선택적으로 형성된 도전성 고무 경로에 의해 형성될 수 있다.

도3 및 도4는 도2의 타이어(10) 내의 도전층(16, 18)에 전기적으로 접속되도록 센서/전송기 삽입체(44, 46)를 사용할 수 있게 하는 다른 대안적인 전송 기술을 개략적으로 도시한다. 센서/전송기 삽입체(44, 46)는 바람직하게는 도전층(16, 18)으로부터의 전기 신호를 수신, 처리 및 전송하는데 필요한 회로를 포함하며, 배터리(도시 안됨), 유도 전류 또는 다른 덜 통상적인 방법에 의해 전력 공급될 수 있다. 센서/전송기 삽입체(44, 46)는 타이어 트레드(26)의 외부를 통해 타이어(10)에 설치될 수 있는 것으로 도시되어 있지만, 측벽(28) 및 비드(12)를 포함하는 다른 위치도 가능하다. 도3 및 도4의 더 양호한 이해를 위해, 타이어(10)의 층들은 일반적으로 트레드(26), 언더-트레드(under-tread) 재료(38), 도전층(16, 18), 중간층(20), 본체 플라이(40) 및 내부 라이너(42)를 포함하는 것으로 도시된다. 도3에서, 센서/전송기 삽입체(44)는 바람직하게는 미리 형성된 구멍 내로 가압되어 접착제로 고정되는 유형인 것으로 도시되어 있다. 센서/전송기 삽입체(44)는 도전층(16, 18)과 접촉하기 위한 다수의 접점(45) 및 타이어(10)의 내부 라이너(42)의 천공을 방지하기 위한 무딘 단부(blunt end)를 갖는다. 도4에서, 센서/전송기 삽입체(46)는 각각이 타이어(10) 내의 상이한 도전체(16 또는 18) 층으로 연장하는 2개의 핀형 접촉부(47)를 갖는다. 센서/전송기 삽입체(46)는 타이어(10) 내로 가압되어 밀어 넣어져서 핀형 접촉부(47) 상에 바브(barb)에 의해 정위치에 유지되도록 구성된다. 타이어 외부 상의 센서/전송기 삽입체(46)의 헤드는 바람직하게는 회로 및 전송기를 포함하며, 내부 라이너(42)의 천공을 방지하도록 핀형 접촉부(47)의 관통을 제한하도록 역할할 수 있다. 센서/전송기 삽입체(44, 46)의 장점은 이들이 경화 공정 중에 겪게 되는 가혹한 조건으로부터 이들의 전자 구성요소를 보호하도록 타이어(10)의 구성 및 경화 후에 타이어(10) 내에 설치될 수 있다는 것이다. 이 접근법에 의한 부가의 장점은 운송 전에 결함에 대해 타이어(10)를 검사하는 능력 및 기능 불량이나 결함인 경우 교체할 수 있는 능력을 포함한다.

실리콘계(silicon-based) 유전체 재료로 형성된 유전체 중간층(20)은 금속으로 형성된 층(16, 18) 사이에 배치된 때 10:1의 용량성 감도를 달성하는 것으로 도시되었다. 타이어 제조에 통상 사용되는 유형의 고무 재료는 감소된 감도를 나타낼 수 있지만, 심지어 2:1(또는 가능하게는 그 미만)의 감도가 이러한 재료에 의해 얻어질 수 있고 본 발명과 함께 사용되도록 수용될 수 있는 것으로 판단된다. 이와 같이, 각각의 도전층(16, 18)과 중간층(20)은, 타이어 구조에 통상 사용되며 전기적 특성이 특정 층(16, 18, 20)에 대해 요구되는 도전성/저항성의 전기적 특성을 얻기 위해 필요에 따라 변경될 수 있는 고무, 강철 또는 기타 재료의 기본 재료로 형성될 수 있다. 예를 들면, 타이어 내의 강철 보강 밴드로서 통상 사용되는 유형의 재료가 도전층(16, 18)으로서 사용될 수 있다. 이 유형의 동심 도전층(16, 18)은 타이어 구조에 광범위하게 사용되는 강철 보강 밴드와 유사한 통상의 구조, 크기 및 형상을 가질 수 있거나, 또는 이들 특징 중 임의의 특징이 상이할 수 있다. 대안으로서, 도전층(16, 18) 중 하나 또는 둘 모두는 고무 합성 중에 도전성 재료의 첨가를 통해 타이어(10)의 탄성중합체(예를 들면, 고무) 층의 전도도를 증가시킴으로써 형성될 수 있다. 도전층(16 또는 18) 중 하나에 전류를 인가함으로써, 커패시턴스가 도전층(16, 18) 사이의 거리의 변화를 포착하도록 측정될 수 있다.

개별 와이어가 서로로부터 전기적으로 절연된 강철 와이어 벨트로 보강된 기존의 타이어 구조를 갖는 다른 대안이 가능하다. 이 유형의 타이어 구조의 예는 도5에 도시되어 있으며, 여기서 각각의 와이어(30, 32)가 서로로부터 전기적으로 절연되고 와이어(30, 32)의 세트에 의해 형성된 층(16, 18)이 유전체(예를 들면, 고무) 중간층(20)에 의해 분리되어 있는 와이어(30, 32)의 2개의 세트에 의해 형성된 2개의 도전층(16, 18)을 도시한다. 도6은 도전층(16)의 다수의 와이어(30)가 다른 도전층(18)의 다수의 와이어와 직교하는, 이러한 유형의 보강을 위한 전형적인 배열의 평면도를 도시한다. 도전층(16, 18) 중 하나 또는 둘 모두 내의 이들 와이어(30, 32)의 쌍은 타이어(10) 내에 다수의 커패시터를 형성하도록 결합될 수 있다. 다른 대안은 도7에 도시된 바와 같이 와이어(30 또는 32)를 직렬로 전기적으로 접속함으로써 이러한 유형의 보강 벨트를 변경하여, 도전층(16, 18) 중 하나 또는 둘 모두가 타이어(10) 둘레의 연속적인 도전성 경로를 형성하게 하는 것이다.

또한, 타이어(10)의 성능 및 상태는 타이어(10)의 측벽(28) 내에 감지 구조체를 배치함으로써 모니터링될 수 있다. 예를 들면, 측벽 성능 및 부하는, 제어 실패의 지시를 제공할 수 있고 화물 트럭의 경우에 과적에 기인하는 불안전 상태를 지시할 수 있는, 도로 및 차량 동역학을 직접적으로 또는 간접적으로 관찰하도록 측벽(28)으로부터 취해지는 측정치에 의해 모니터링될 수 있다. 이를 위해, 본 발명의 다른 선택적인 특징은 도전층(16, 18)과 중간층(20)으로부터 분리된, 타이어(10)의 측벽(28)에 하나 이상의 용량성 그리드(grid)를 제공하는 것이다. 도8에 도시되어 있는 바와 같이, 각각의 그리드(29)는 도2에 도시된 도전성 전송 요소(36)와 유사하게 배치될 수 있으며, 도1 및 도2에 도시된 바와 같이 층(16, 18, 20)과 유사한 방식으로 전력이 공급되고 감지될 수 있다. 그리드(29)는 다양한 대안적인 구조를 가질 수 있으며, 그리드(29)의 크기 및 개수는 원하는 수준의 감도를 달성하도록 맞춰질 수 있다. 예를 들면, 12개의 개별 그리드(29)가 타이어(10)의 주연부 둘레에서 각각의 측벽(28) 내로 통합될 수 있으며, 이때, 그리드들(29)은 약 30도로 이격된다. 측벽(28)의 측면 부하도 예를 들면, 도9에 개략적으로 도시된 바와 같이 타이어 비드(12)와 트레드(26)의 코너 사이의 거리를 측정하도록 광학적이거나 다른 유형인 근접 센서(48)에 의해 모니터링될 수 있다. 압력 및 온도도 타이어(10)의 상태를 추가로 모니터링하도록 적절한 센서(도시 안됨)에 의해 측정될 수도 있다.

도전층(16, 18)과 유전체 중간층(20)의 최종 조합은 전술한 실시예와 일치하는 커패시터를 형성한다. 이 접근법은 또한 도전층(16, 18)을 통해 개별적으로 송신되는 전류를 검출할 수 있으며, 이때, 전도도(저항)의 변화는 이들 층(16, 18) 내의 보강 와이어(30, 32)의 변형률과 결과적인 파손을 나타낸다.

본 기술 분야의 숙련자는 도2 내지 도7에서 구성된 바와 같은 도전층(16, 18)이 라미네이트 구조를 가질 수 있는 항공기 날개 및 기타 에어포일을 포함하는, 주기적 또는 간헐적 부하를 받는 다양한 구조체에 통합되는 것에 도움이 된다는 것을 이해할 것이다. 예를 들면, 도전층(16, 18)을 형성하는 와이어(30, 32)의 직교하는 세트는 날개의 강도 또는 인성에 기여할 수 있거나 적어도 날개의 구조적 특성에 대한 무시할 수 있는 정도의 부정적인 영향을 주는 전기 도전성 재료로 형성 될 수 있다.

전술한 바와 같이, 용량성 감지의 대안은 반도체 또는 저항 재료의 중간층(20)을 형성하는 것을 포함한다. 예를 들면, (예컨대, 전술한 유형의) 2개의 도전층(16, 18)은 전도도가 탄소 또는 기타 도전성 재료에 의해 증가되는 도전성 접착제 또는 고무 재료로 형성된 반도체 중간층(20)에 의해 분리될 수 있다. 3개의 도전층(16, 18)과 중간층(20)을 통해 전류를 통과시킴으로써, 저항이 측정될 수 있으며, 이 경우 저항 수준은 도전층(16, 18)과 중간층(20)을 형성하는 3가지의 재료의 상태에 좌우된다.

도전층(16, 18)과 중간층(20)을 타이어(10)의 트레드(26) 바로 아래에(또는, 예컨대 타이어(10)의 측벽(28) 내에) 배치함으로써, 도전층(16, 18)과 중간층(20)은 타이어(10)가 회전할 때 규칙적인 주기적 부하뿐만 아니라 변화하는 도로 및 차량 동역학, 절단(cut), 과속, 펑크, 불균형, 손상, 연석에 의한 충격, 경화, 부적절한 장착 또는 장착 중의 손상, 임박한 트레드 분리 및 임박한 파열 파괴로부터 발생하는 불규칙적 부하 또는 부하 분포를 받게 된다. 그 결과, 도전층(16, 18)과 중간층(20)에는 전압이 층(16, 18)에 걸쳐 인가될 때 발생되는 전기 신호를 변경시키는 일시적이고 영구적인 물리적 변형이 가해진다. 전기 신호를 검출하고 적절하게 처리함으로써, 차량 제어 특징(미끄러짐, 이탈 등), 차량 부하 특징(과부하), 트레드(26)의 상태(트레드 수명, 분리 및/또는 손상) 등과 같은 것을 지시하는 타이어(10)의 상태의 경향 및 급격한 변화가 감지될 수 있다.

도10 및 도11은 파이프(50)와, 특히 피로 파괴에 민감한 플라스틱, 고무 또 는 기타 비교적 가요성인 재료로 형성된 다층 파이프(50)에 적용된 본 발명의 절결도를 도시한다. 도10 및 도11에서, 파이프(50)는 유전체, 반도체 또는 저항 재료로 형성된 중간층(60)에 의해 분리된 2개의 도전층(56, 58)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 또한, 이들 층(56, 58, 60)은 도1 내지 도8의 실시예에 대해 설명된 바와 같이 용량, 유도 또는 저항 회로를 형성한다. 도11은 파이프(50)의 일 단부에 2개의 도전층(56, 58)을 위한 커넥터(52)를 도시한다. 커넥터(52)는 커플링 플랜지(coupling flange, 도시 안됨) 내에 통합되는 것이 바람직하고, 도1 내지 도8의 타이어(10)와 동일한 감지 성능에 기초하여 파이프 벽의 피로 및 파손을 측정하도록 종단 커플러(termination coupler)(도시 안됨)에 부착될 수 있다. 예로서, 파이프(50)의 길이는 파이프의 단부 중 하나에서 감지 회로를 구비할 수 있으며, 이 경우 부가의 감지 회로가 사이의 다중화기(multiplexer)로 층(56, 58, 60)의 개별 구역을 감지하거나 또는 층(56, 58, 60)의 2개의 구역을 감지하도록 파이프(50)의 길이를 따라 주기적으로 배치된다. 호스 커플러는 파이프(50) 내의 도전층(56, 58)과 전기 접촉하도록 구성될 수 있다.

본 발명이 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 다른 형태가 본 기술 분야의 숙련자에 의해 채택될 수 있다는 것은 명백하다. 예를 들면, 타이어(10) 및 파이프(50)의 물리적 구조는 도시된 것과 상이할 수 있으며, 이들 설명된 것 이외의 재료 및 공정이 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범주는 이하의 청구의 범위에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims

일체형 수명 감지 성능을 갖는 구조체이며,

제1 및 제2 도전층과, 제1 및 제2 도전층 사이에 중간층을 포함하고,

중간층은 제1 및 제2 도전층과 중간층이 조합되어 용량 및 저항 요소를 포함하는 군으로부터 선택된 전기 요소를 형성하도록 유전체, 반도체 및 저항 재료를 포함하는 군으로부터 선택된 재료로 형성되며,

전기 요소는 외적 요인 및 내적 요인으로부터 발생되는 구조체의 일시적 변형 및 영구적 변형에 물리적으로 반응하도록 구조체 내에 배치되고,

상기 구조체는,

상기 전기 요소로부터 용량성, 저항성 또는 유도성 신호인 전기 신호를 발생시키도록 제1 및 제2 도전층 중 적어도 하나에 전위를 인가하기 위한 수단과,

일시적 변형 및 영구적 변형에 물리적으로 반응하는 전기 요소에 반응하여 전기 요소에 의해 발생되는 전기 신호의 변화를 감지하기 위한 수단과,

구조체 내에 매립되며, 전기 신호의 변화를 구조체로부터 이격된 위치로 전송하기 위한 수단을 더 포함하고,

상기 전기 요소는 임박한 파괴, 잔류 수명 및 구조체로의 피해의 감지를 가능케 하도록 구성되고, 구조체의 구조적 파괴가 언제 발생할지를 예견하도록 데이터 처리 회로에 연결되는 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제1항에 있어서, 구조체는 타이어인 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제1항에 있어서, 구조체는 에어포일인 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제1항에 있어서, 구조체는 파이프이며, 제1 및 제2 도전층은 파이프의 반경 방향 내부층 및 외부층인 수명 감지 성능을 가진 구조체.
일체형 수명 감지 성능을 갖는 구조체이며,

외주연부 표면의 트레드, 트레드에 인접하여 그로부터 반경 방향 내향으로 연장하는 2개의 측벽 및 측벽의 반경 방향 내향 에지에 비드를 포함하는 타이어를 포함하며,

제1 및 제2 도전층과, 제1 및 제2 전도층 사이에 중간층을 포함하고,

중간층은 제1 및 제2 도전층과 중간층이 조합되어 용량 및 저항 요소를 포함하는 군으로부터 선택된 전기 요소를 형성하도록 유전체, 반도체 및 저항 재료를 포함하는 군으로부터 선택된 재료로 형성되며, 전기 요소는 외적 요인 및 내적 요인으로부터 발생되는 구조체의 일시적 변형 및 영구적 변형에 물리적으로 반응하도록 구조체 내에 그리고 타이어의 트레드 및 측벽 중 적어도 하나에 배치되고,

상기 구조체는,

상기 전기 요소로부터 전기 신호를 발생시키도록 제1 및 제2 도전층 중 적어도 하나에 전위를 인가하기 위한 수단과,

일시적 변형 및 영구적 변형에 물리적으로 반응하는 전기 요소에 반응하여 전기 요소에 의해 발생되는 전기 신호의 변화를 감지하기 위한 수단과,

전기 신호의 변화를 구조체로부터 이격된 위치로 전송하기 위한 수단을 더 포함하고,

상기 전기 요소는 임박한 파괴, 잔류 수명 및 구조체로의 피해의 감지를 가능케 하도록 구성되고, 구조체의 구조적 파괴가 언제 발생할지를 예견하도록 데이터 처리 회로에 연결되는 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제5항에 있어서, 제1 및 제2 도전층은 트레드와 동심인 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제6항에 있어서, 제1 및 제2 도전층 각각은 타이어의 보강층인 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제6항에 있어서, 제1 및 제2 도전층 각각은 타이어의 도전성 탄성중합체 층인 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제6항에 있어서, 각각의 제1 및 제2 도전층은 복수의 평행 와이어를 포함하는 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제9항에 있어서, 제1 도전층의 평행 와이어는 제2 도전층의 평행 와이어와 실질적으로 직교하는 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제9항에 있어서, 제1 및 제2 도전층 중 적어도 하나의 평행 와이어는 용량성 신호를 발생시키는 적어도 하나의 용량성 결합을 형성하도록 서로로부터 전기적으로 절연되는 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제11항에 있어서, 용량성 결합에 의해 발생된 용량성 신호의 변화를 감지하기 위한 수단을 더 포함하는 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제9항에 있어서, 제1 및 제2 도전층 중 적어도 하나의 평행 와이어는 연속적인 도전체를 형성하도록 서로 직렬로 전기 접속되는 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제13항에 있어서, 연속적인 도전체의 저항의 변화를 감지하기 위한 수단을 포함하는 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제5항에 있어서, 타이어는 림 상에 장착되며, 전위를 인가하기 위한 수단은 림 상에 배치되는 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제5항에 있어서, 전기 신호의 변화를 감지하기 위한 수단은 타이어의 측벽 중 하나에 매립되는 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제5항에 있어서, 전기 신호의 변화를 전송하기 위한 수단은 타이어의 측벽 중 하나에 매립되는 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제5항에 있어서, 전기 신호의 변화를 감지하기 위한 수단과 전기 신호의 변화를 전송하기 위한 수단은 타이어의 외부 영역 내에 제거 가능하게 매립되는 삽입체 내에 있는 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제5항에 있어서, 타이어의 비드 중 적어도 하나 및 타이어의 트레드의 적어도 하나의 코너의 근접도를 감지하기 위한 수단을 더 포함하는 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제1항에 있어서, 제1 및 제2 도전층 중 적어도 하나의 전기적인 불연속성을 감지하기 위한 수단을 더 포함하는 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제1항에 있어서, 전기 신호의 변화를 감지하기 위한 수단은 구조체 내에 매립되는 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제1항에 있어서, 제1 및 제2 도전층을 전기 신호의 변화를 감지하기 위한 수단에 전기적으로 상호 접속시키기 위해 구조체 내에 매립되는 수단을 더 포함하는 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제1항에 있어서, 중간층은 유전체 재료로 형성되는 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제1항에 있어서, 중간층은 반도체 재료로 형성되는 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제1항에 있어서, 중간층은 저항 재료로 형성되는 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제1항에 있어서, 제1 및 제2 도전층 각각은 복수의 평행 와이어를 포함하는 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제26항에 있어서, 제1 도전층의 평행 와이어는 제2 도전층의 평행 와이어와 실질적으로 직교하는 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제26항에 있어서, 제1 및 제2 도전층 중 적어도 하나의 평행 와이어는 용량성 신호를 발생시키는 적어도 하나의 용량성 결합을 형성하도록 서로로부터 전기적으로 절연되는 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제28항에 있어서, 용량성 결합에 의해 발생되는 용량성 신호의 변화를 감지하기 위한 수단을 더 포함하는 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제26항에 있어서, 제1 및 제2 도전층 중 적어도 하나의 평행 와이어는 연속적인 도전체를 형성하도록 서로 직렬로 전기 접속되는 수명 감지 성능을 가진 구조체.
제30항에 있어서, 연속적인 도전체의 저항의 변화를 감지하기 위한 수단을 더 포함하는 수명 감지 성능을 가진 구조체.