KR101273446B1 - 거동 비선형 특성을 억제한 박막 구조의 고주파 전송 선로형 무전원 무선 하중 측정 센서 및 이를 이용한 무선 하중 측정 시스템 - Google Patents

거동 비선형 특성을 억제한 박막 구조의 고주파 전송 선로형 무전원 무선 하중 측정 센서 및 이를 이용한 무선 하중 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

거동 비선형 특성을 억제한 박막 구조의 고주파 전송 선로형 무전원 무선 하중 측정 센서, 및 무선 하중 측정 시스템이 개시된다. 무선 하중 측정 센서는 전파 수신부, 전기 신호 발생부, 전기 신호 변형부, 변형 표면 탄성파 발생부, 및 전파 송신부를 포함한다. 전파 수신부는 외부에서 인가되는 전파를 수신하여 표면 탄성파로 변환하고, 전기 신호 발생부는 표면 탄성파를 변환하여 전기 신호를 생성하고, 전기 신호 변형부는 외부에서 인가된 하중에 따라 전기 신호가 전송되는 전송 선로의 길이를 변화시킴으로써 전기 신호를 변형하고, 표면 탄성파 발생부는 변형된 전기 신호를 표면 탄성파로 변환하며 전파 송신부는 변형된 표면 탄성파를 전파로 변환하여 외부로 송신한다. 외부에서 인가되는 전파를 이용하여 하중을 측정하므로 외부 전원의 공급 없이도 동작할 수 있게 된다. 특히, 전송 선로의 길이를 이용하여 전기 신호를 변형하기 때문에 우수한 감지도 특성을 얻을 수 있게 된다.

Description

거동 비선형 특성을 억제한 박막 구조의 고주파 전송 선로형 무전원 무선 하중 측정 센서 및 이를 이용한 무선 하중 측정 시스템{wireless load measuring sensor without power supply having high frequency transmission line of thin film structure supressing nonlinear movement property, and wireless load measuring sysetem using the method}
본 발명은 센서 및 센서를 이용한 측정 시스템으로서, 더욱 상세하게는 무선으로 하중을 측정하기 위한 센서, 및 시스템에 관한 것이다.
하중은 물체나 구조물에 가해지는 외력(外力)으로서, 이때의 외력은 보통 중력이다. 일반적으로 하중을 측정하는 센서는 금속박(Metal foil)형 스트레인 게이지를 로드셀(Load Cell)에 부착하여 하중(힘) 변화에 따른 스트레인 게이지의 미세한 저항 변화를 전자회로에서 증폭하여 큰 신호의 변화로 만들어 활용하며 산업 전반적인 분야에 적용되고 있다.
그런데 하중을 측정하는 센서인 로드셀은 전원선(2개) 및 신호선(2개) 외에도 쉴드(Shield)선(1개)등 통상적으로 4~5개의 선을 사용하며 선의 길이, 설치 상태에 따른 노이즈 유입 및 신호 오류에 의한 계측의 불안정성 등은 현장에서는 매우 불편한 요소로 지적하고 있는 상황이다.
아울러, 금속박형 스트레인 게이지를 기본 구조로 하고 있으므로 하중에 따른 스트레인 게이지의 저항변화(통상 Gauge factor라고 함)가 매우 적기 때문에 고성능의 증폭회로를 필요로 하는 단점 외에도 온도에 따른 센서 값 변동이 심하므로 온도 보상회로를 추가로 장착해야 하는 불편함이 있다.
최근 기존 유선 형태의 로드셀에 대하여 무선 기술을 접목한 무선 하중 센서가 활용되고 있어 도선에 의한 측정오차나 설치의 불편함은 많이 해소되었으나 회로 및 센서에 전원을 반드시 인가하여야 하므로 현장에서 적용할 때의 문제점은 상존한다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 외부 전원의 공급 없이도 동작할 수 있는 무선 하중 측정 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 거동 비선형 특성을 억제한 박막 구조의 고주파 전송 선로형 무전원 무선 하중 측정 센서는 전파 수신부, 전기 신호 발생부, 전기 신호 변형부, 변형 표면 탄성파 발생부, 및 전파 송신부를 포함한다.
전파 수신부는 외부에서 인가되는 전파를 수신하여 표면 탄성파로 변환하고, 전기 신호 발생부는 표면 탄성파를 변환하여 전기 신호를 생성하고, 전기 신호 변형부는 외부에서 인가된 하중에 따라 전기 신호가 전송되는 전송 선로의 길이를 변화시킴으로써 전기 신호를 변형하고, 표면 탄성파 발생부는 변형된 전기 신호를 표면 탄성파로 변환하며 전파 송신부는 변형된 표면 탄성파를 전파로 변환하여 외부로 송신한다.
외부에서 인가되는 전파를 이용하여 하중을 측정하므로 외부 전원의 공급 없이도 동작할 수 있게 된다. 특히, 전송 선로의 길이를 이용하여 전기 신호를 변형하기 때문에 우수한 감지도 특성을 얻을 수 있게 된다.
전기 신호 변형부는 전송 선로에 연결되고 외부 인가 하중에 따라 내부 임피던스가 변경되는 가변 임피던스 구조를 포함할 수 있으며, 이러한 구성은 센서의 감지도 특성을 더욱 높일 수 있게 해 준다.
이때, 전기 신호 변형부는 가변 임피던스 구조의 내부 형상을 변경시킴으로써 전송 선로의 길이를 조절할 수 있으며, 이러한 구성은 센서 구조를 더욱 효율적으로 구성할 수 있도록 해준다.
전송 선로는 코플래너웨이브가이드일 수 있다. 신호선과 접지선이 동일 평면상에 위치하고, 전송 선로 형상의 변경에 따라 선로의 특성 임피던스 조절이 쉬워 센서 제작이 보다 용이해 진다.
가변 임피던스 구조는 커패시터 구조일 수 있으며, 이때 커패시터 구조는 코플래너웨이브가이드의 신호선 상부에 위치하고, 코플래너웨이브가이드의 접지선에 연결된 금속막을 포함할 수 있다. 이와 같은 구조는 무선 하중 센서를 더욱 효율적으로 구현할 수 있도록 해준다.
또한, 무선 하중 측정 시스템은, 외부에서 인가되는 전파를 수신하여 표면 탄성파로 변환하는 전파 수신부, 표면 탄성파를 변환하여 전기 신호를 생성하는 전기 신호 발생부, 외부에서 인가된 하중에 따라 전기 신호가 전송되는 전송 선로의 길이를 변화시킴으로써 전기 신호를 변형하는 전기 신호 변형부, 변형된 전기 신호를 표면 탄성파로 변환하는 변형 표면 탄성파 발생부, 변형된 표면 탄성파를 전파로 변환하여 외부로 송신하는 전파 송신부, 및 전파 송신부로부터 수신된 전파를 수신하여 상기 인가된 하중을 산출하는 하중 산출부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 외부에서 인가되는 전파를 이용하여 하중을 측정하므로 외부 전원의 공급 없이도 동작할 수 있게 된다. 특히, 전송 선로의 길이를 이용하여 전기 신호를 변형하기 때문에 우수한 감지도 특성을 얻을 수 있게 된다.
또한, 외부 인가 하중에 따라 내부 임피던스가 변경되는 가변 임피던스 구조를 포함하여, 센서의 감지도 특성을 더욱 높일 수 있게 해 준다.
또한, 가변 임피던스 구조의 내부 형상을 변경시킴으로써 전송 선로의 길이를 조절할 수 있게 되어, 센서 구조를 더욱 효율적으로 구성할 수 있도록 해준다.
또한, 신호선과 접지선이 동일 평면상에 위치하고, 전송 선로 형상의 변경에 따라 선로의 특성 임피던스 조절이 쉬워져 센서 제작이 보다 용이해 진다.
가변 임피던스 구조를 코플래너웨이브가이드의 신호선 상부에 위치하고, 코플래너웨이브가이드의 접지선에 연결된 금속막을 포함하는 커패시터 구조로 구현하여 무선 하중 센서를 더욱 효율적으로 구현할 수 있도록 해준다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 하중 측정 시스템 일 실시예의 개략적인 블록도.
도 2는 도 1의 거동 비선형 특성을 억제한 박막 구조의 고주파 전송 선로형 무전원 무선 하중 측정 센서의 실제 구현 예를 도시한 도면.
도 3은 도 2의 무선 하중 센서의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 도 3의 무선 하중 측정 센서의 정전 용량형 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 인텔리전트 타이어 센서의 개념도.
도 6은 미소 길이 전송 선로에서 전압, 전류 등가 회로를 도시한 도면.
도 7은 인텔리전트 타이어 센서 구성 중 마이크로파 전송선로와 결합한 외부 하중센서 구조(위쪽) 및 실제 제작한 형태(아래쪽)를 도시한 도면.
도 8은 마이크로스트립라인(Microstrip Line)에서의 전자기장 분포를 도시한 도면.
도 9는 마이크로스트립라인의 형상을 도시한 도면.
도 10은 CPW(Coplanar Waveguide)에서 전자기장 분포를 도시한 도면.
도 11은 유한한 Ground Plane의 CPW(Coplanar Waveguide)의 형상을 도시한 도면.
도 12는 하중인가(F1<F2<F3)에 따른 도 7의 전송 선로형 하중센서 428MHz~438MHz 대역에서의 임피던스 변화(Capacitive 특성 Inductive 특성)를 도시한 도면.
도 13은 스미스 챠트로 표시한 하중센서 거동(중심 주파수 433MHz)을 도시한 도면.
도 14는 SAW 트랜스폰더와 하중센서 결합 후 하중 인가 전/후의 SAW 응답신호를 도시한 도면.
도 15는 Capacitive 센서의 구조(단면)를 도시한 도면.
도 16은 터치 모드 용량성(Touch mode Capacitive) 센서의 구조(단면)를 도시한 도면.
도 17은 본 발명에 따른 인텔리전트 타이어 하중센서 구조 및 Prototype 센서 제작 결과를 도시한 도면.
도 18은 타이어 하중에 따른 스트레인 상관관계를 위한 시험 상황을 도시한 도면.
도 19는 타이어 인가하중에 따른 스트레인 경향 및 상관관계 시험 결과를 도시한 도면.
도 20은 타이어 구동 시 접지면에서 방향에 따른 스트레인 변화를 도시한 도면.
도 21은 타이어 절편에서 하중센서 검증 시험 상황을 도시한 도면.
도 22는 타이어 절편 테스트 결과를 통한 하중센서-스트레인-타이어하중 사이의 선형적 상관 관계 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람 정 시스템 일 실시예의 개략적인 블록도이다.
도 1에서 무선 하중 측정 시스템은 거동 비선형 특성을 억제한 박막 구조의 고주파 전송 선로형 무전원 무선 하중 측정 센서(100), 및 하중 산출부(200)를 포함한다.
무선 하중 측정 센서(100)는 다시, 전파 수신부(110), 전기 신호 발생부(120), 전기 신호 변형부(130), 변형 표면 탄성파 발생부(140), 및 전파 송신부(150)를 포함한다.
전파 수신부(110)는 외부에서 인가되는 전파를 수신하여 표면 탄성파로 변환하고, 전기 신호 발생부(120)는 표면 탄성파를 변환하여 전기 신호를 생성한다.
전기 신호 변형부(130)는 외부에서 인가된 하중에 따라 전기 신호가 전송되는 전송 선로의 길이를 변화시킴으로써 전기 신호를 변형한다.
이때, 전기 신호 변형부(130)는 전송 선로에 연결되고 외부 인가 하중에 따라 내부 임피던스가 변경되는 가변 임피던스 구조를 포함할 수 있으며, 이러한 구성은 센서의 감지도 특성을 더욱 높일 수 있게 해 준다.
또한, 전기 신호 변형부(130)는 가변 임피던스 구조의 내부 형상을 변경시킴으로써 전송 선로의 길이를 조절할 수 있으며, 이러한 구성은 센서 구조를 더욱 효율적으로 구성할 수 있도록 해준다.
전송 선로는 코플래너웨이브가이드일 수 있으며, 이 경우 신호선과 접지선이 동일 평면상에 위치하고, 전송 선로 형상의 변경에 따라 선로의 특성 임피던스 조절이 쉬워 센서 제작이 보다 용이해진다.
가변 임피던스 구조는 커패시터 구조일 수 있으며, 이때 커패시터 구조는 코플래너웨이브가이드의 신호선 상부에 위치하고, 코플래너웨이브가이드의 접지선에 연결된 금속막을 포함할 수 있다. 이와 같은 구조는 무선 하중 센서를 더욱 효율적으로 구현할 수 있도록 해준다.
표면 탄성파 발생부(140)는 변형된 전기 신호를 표면 탄성파로 변환하며 전파 송신부(150)는 변형된 표면 탄성파를 전파로 변환하여 외부로 송신한다.
이와 같은 구성에 의하면, 무선 하중 측정 센서(100)는 외부에서 인가되는 전파를 이용하여 하중을 측정하므로 외부 전원의 공급 없이도 동작할 수 있게 된다. 특히, 전송 선로의 길이를 이용하여 전기 신호를 변형하기 때문에 우수한 감지도 특성을 얻을 수 있게 된다.
마지막으로, 하중 산출부(200)는 전파 송신부로부터 수신된 전파를 수신하여 인가된 하중을 산출한다.
이하, 보다 구체적인 예를 이용하여 도 1의 무선 하중 측정 시스템을 더욱 상세히 설명한다.
도 2는 도 1의 무선 하중 측정 시스템을 자동차 타이어에 구현한 무전원/무선 타이어 하중 측정 시스템의 예를 도시하고 있다.
주행 중인 차량의 안전에서 타이어가 차지하는 비중이 작지 않으며, 타이어의 부적절한 사용 및 관리는 치명적인 결과(고속도로 사고 6% 유발 - NOP Automotive - UK2005)를 초래한다.
예로 부족한 타이어 공기압은 차량의 조종안정성, 구동 및 제동 성능을 저하시키며 연료 소비를 증가 시킨다. 이를 개선하기 위해 지능형 타이어 개발에 대한 연구가 많이 진행되고 있는데, 대표적으로 TPMS(Tire Pressure Monitoring System)에 대한 연구가 진행되고 있으며, 타이어 장착이 법제화되고 있다.(북미 기준 FMVSS 138) 현재 국내의 경우, 아직까지는 강제 장착이 법제화되어 있지는 않지만 전 세계적인 추세에 따라 조만간 도입될 것으로 예상되고 있다.
이러한 타이어의 전자화 개발은 차량 성능 향상, 타이어 이력 관리를 위해 기존의 TPMS 기능을 뛰어넘어 RFID, 타이어 거동 및 하중 측정 기능이 추가되고 있는 추세인데, 차량과 타이어 간의 융합된 시스템을 통해 제동거리 단축, 롤오버(rollover) 방지, 빙판/눈길 감지 및 경고 등 차량의 조종 안정성 및 안전성을 극대화하려는 시장의 움직임이 활발하게 진행되고 있다.
현재 타이어 전자화에 적용된 전원은 대부분 리튬 이온전지를 사용하는데, 이것의 수명은 3~5년으로 타이어를 두 번 교체하는 경우 수명이 다하게 된다. 이때 타이어와 전자 시스템을 동시에 교체해야 하는 번거로움과 함께 경제적 부담으로 다가올 뿐만 아니라 폐기되는 전지는 환경오염을 유발하고 있다.
차량 안전도 향상뿐 아니라 타이어의 전자화를 추구하기 위해서는 센서 구동을 위해 필요한 전원문제에 대한 해결이 필요한데, 본 발명에서는 이러한 수요에 대한 기술적 해결을 위해 표면 탄성파(SAW; Surface Acoustic Wave)기반의 무전원 구동 무선 타이어 센서를 개발할 수 있게 되었다.
SAW 무전원 구동형 무선 하중 센서의 가장 중요한 요소기술은 (1) SAW 트랜스폰더 설계 및 정밀 공정/제작 기술, SAW 트랜스폰더와 정합(Matching) 가능하며, 타이어 하중을 소자 상태변수로 변환시킬 수 있는 (2) 하중센서 구조 설계 및 제작 기술이다.
이를 위해, SAW 트랜스폰더는 최대한 낮은 삽입손실(S11)을 구현하여야 하며, 하중센서의 경우 타이어 인가 하중에 따라 SAW 트랜스폰더의 성능지수(FOM; Figure of merit, where, ;Load impedance of tire force sensor)를 정의할 수 있는 센서 구조이어야 한다.
본 발명에서는 도 2와 같은 SAW 무전원 타이어 하중센서를 구현하기 위하여 도 3과 같은 센서 구조(간접 하중법)을 채택하였으며, 도 3에서 SAW 트랜스폰더와 결합하는 외부센서(본 연구에서는 하중센서)에 대하여 도 4와 정전 용량형 하중 센서 구조를 고안하여 타이어에 인가하는 하중(0 kgf ~ 500 kgf)에 대하여 선형 상관성을 구현하였다.
도 3은 도 2의 무선 하중 센서의 구조를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 4는 도 3의 무선 하중 측정 센서의 정전 용량형 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
자동차 안전 분야에서 센서의 효용성은 전통적인 단일 기능 센서에서 벗어나 복합 물리량에 대한 감지 기술이 가능하게 됨으로써 그동안 측정하지 못하였던 부분에서의 계측이 가능해짐에 따라 다양한 기능의 안전시스템이 개발되고 있다.
이러한, 기술적 성장의 기반에는 전통적인 자동차 산업과 정보통신(IT) 기술의 융합 구현이 현실화됨으로써 가능하게 되었다. 특히, 정보통신(IT) 기술을 접목하여 융합 기술화하고 있는 '스마트 모니터링 기술'은 향후 기술 융합 시대를 선도하는 기술로써 20세기 '산업의 쌀'로 일컬어지고 있는 '반도체 산업 이상의 폭발적 성장과 파급 효과가 기대되고 있다.
또한, 스마트 모니터링 시스템은 생명공학 기술과 더불어 21세기를 주도할 미래 지식산업의 한 분야로 주목받고 있다. 스마트 모니터링 기술의 핵심인 센서의 경우 통신 기술과 반도체 공정 기술의 지속적 성장에 힘입어 초소형의 고성능 반도체 소자가 개발되었고 이를 이용한 여러 전자 장치들이 현대 산업구조에 필수적으로 적용되고 있으며 자동차 산업도 예외는 아니다.
특히, 센서 시스템의 무선화는 계측 값의 장거리 전송과 센서들 사이의 네트워크화를 촉발시키는 계기가 되었으며. 계측에 있어서 필수 요소인 "in-situ monitoring"과 "Realtime monitoring"을 동시에 여러 센서들 사이에서 구현할 수 있게 되었다.
또한, 이러한 통신 기능을 접목한 센서의 개발은 자동차 안전 및 제어(Telematics)뿐 아니라 원격 의료(BT/IT), 교량 등 대형 구조물 안전 진단(USN), 지능형 빌딩(IBIS) 및 기계 제어뿐 아니라 교통(ITS) 등 산업 전 분야에 걸쳐 획기적인 발전을 가져왔다.
외부의 현상을 센서에 의해 전기적인 신호로 변환시키고 다시 전기 신호로 변환된 센서 값을 무선으로 전송하는 회로(혹은 소자)는 보통 CMOS 반도체를 이용하여 만들지만 CMOS 반도체 회로 및 센서는 반드시 외부에서 전원을 인가해 주어야만 동작할 수 있다.
따라서 일반적인 무선 센서 시스템은 건전지를 장착하여 무선 센서부에 전력을 공급해 주는 방식을 많이 사용한다. 그러나 이와 같은 무선 센서는 다음과 같은 한계로 인해 실제 적용 현장에서는 강력하게 대안 기술 개발을 요구하고 있다.
1) 제한적인 작동 수명: 10년 이상 장기적인 작동을 요구하는 곳에서 전원을 공급해주는 시스템은 현실적으로 보편적 사용에 제한적임.
2) 설치 후 막대한 유지보수 비용: 기존 무선 센서의 경우 한 번 설치한 이후부터는 유지보수가 곤란한 분야에서는 건전지 교체 및 유지 보수 어려움
3) 실시간 계측 문제: 전지를 사용함으로 인해 실시간 계측 시 작동 수명이 짧아지므로 간헐적인 계측만 수행하므로 장기간 실시간 계측 요구에 대한 대응 불가
따라서, 외부의 물리적 현상을 계측하되 센서는 전원이 인가되지 않고도 영구 작동할 수 있으며 계측된 센서 정보를 원격 계측할 수 있는 "무전원 구동 무선 센서"의 개발은 산업 현장의 요구에 부응하는 기술이다.
특히, 본 발명에서와 같이 타이어에 장착하여 주행 중 타이어 하중을 실시간으로 계측하기 위해서는 반드시 센서의 전원 문제가 필요하며 이를 구현하기 위하여 표면 탄성파(SAW; Surface acoustic wave) 기반의 인텔리전트 타이어 센서 구조를 고안하게 되었다.
센서 구동은 전원 인가 방식에 따라 능동 센서(Active sensor)와 수동 센서(무전원 센서;Passive sensor)로 크게 나눌 수 있으며 능동 센서와 수동 센서의 중간 단계로서 주변 환경의 변화(빛, 온도차, 진동 등)를 이용한 발전 방식으로 센서 시스템을 구동시키는 준능동 센서(Pseudo-active sensor)가 있다.
수동 센서는 LC 결합에 따른 임피던스 교란에 의한 주파수 변이를 측정하는 방식(LC coupling 방식)과 SAW(SAW: Surface Acoustic Wave)를 이용한 센서가 대표적이지만 LC coupling 방식의 경우 무선 감지 범위가 불과 2cm에 불과한 단점이 있다.
반면, SAW를 이용한 방식은 수동 센서 방식 가운데 가장 긴 감지 거리(수 m)를 가질뿐 아니라 외부의 물리적인 환경 변화에 따른 센서의 임피던스 혹은 SAW 소자 내부에서 발생하는 표면탄성파의 군속도(Group velocity) 변화를 감지함으로써 무전원/무선 센서를 구현할 수 있다.
본 발명에서는 전원 공급 없이 작동할 뿐 아니라 원격 계측이 가능한 "무전원 무선 센서"를 개발하기 위해 SAW 소자를 무전원 구동 무선 센서 정보 전송 매체(Transponder)로써 사용하고, 타이어 하중 변화를 감지하는 센서부는 마이크로 머시닝 공정을 통하여 제작하고 최종적으로 SAW 트랜스폰더와 접합한다.
외부의 물리적인 변화(온도, 가속도, 하중, 압력 등)를 "SAW 트랜스폰더"와 결합하였을 때 SAW 결합 형태의 센서는 고유의 감지 기능 외에 무전원 구동 및 감지 정보의 무선 전송이라는 독특한 기능을 구현할 수 있으므로 본 발명에서는 SAW 트랜스폰더와 하중감지 센서의 결합을 통해 무전원/무선화한 타이어 하중 감지 센서를 개발하였다.
본 발명에 따른 인텔리전트 타이어 센서시스템의 개념도는 도 2와 같다.
본 발명에 의한 타이어 센서의 경우 SAW 트랜스폰더와 외부하중에 따라 전기적인 임피던스가 변하게 되는 방식이다. 도 3과 같은 인텔리전트 타이어 센서 시스템에서 인텔리전트 타이어 센서 부분만 확대한다면 도 5와 같다.
도 5와 같은 센서 구조에서 타이어 인가 하중에 따라 SAW 트랜스폰더와 결합된 외부센서의 부하 임피던스가 변동되며 이로 인해 전체적으로 SAW 트랜스폰더의 반사 신호(RF echo)는 변동된 부하 임피던스 성분을 포함하게 되는데 작동 순서는 다음과 같다.
(1) 인텔리전트 타이어 무선리더에서 센서 Wake-up 신호(RF 신호) 방출
(2) 인텔리전트 타이어 센서 안테나로 Wake-up 신호(RF 신호) 도달
(3) SAW 트랜스폰더 Transceiver IDT에서 도달된 Wake-up 신호의 진동 변화 역압전 현상
(4) 변환된 진동신호에 의해 표면탄성파 생성
(5) 생성된 표면탄성파의 기판 표면 전파 (왼쪽 오른쪽)
(6) 표면탄성파 전파 중 첫 번째 Reference IDT 도달
(7) Reference IDT에서 표면탄성파가 RF 전기적 신호로 변환 압전 현상
(8) 1차 Reference IDT에서 압전 현상에 의해 양방향 진동 생성
(9) 양방향 진동 중 반사 표면탄성파의 Transceiver IDT로 전파(오른쪽왼쪽)
(9-1) 생성된 진행 표면탄성파(8)와 원시 표면탄성파(6)의 합산 성분의 표면 탄성파 진행(왼쪽오른쪽)
(10) (9-1)에서 진행되던 합산 성분 표면탄성파의 Sensor IDT 도달
(10-1) Sensor IDT에서 상기 (6)~(7)의 진동-RF 신호 변환 과정 반복
(10-2) (10-1)에서 생성(변환)된 RF 신호가 외부 부하형 센서(도 5의 ZL)로 인가되면서 ZL의 임피던스에 의해 왼쪽오른쪽으로 발생하는 반사 표면탄성파의 성분을 변화시킴.
(10-3) 변환된 반사표면탄성파 성분
Figure 112011039021810-pat00001
은 식은 아래와 같음.
Figure 112011039021810-pat00002
(10-4) 외부 임피던스 성분이 포함된 반사 표면탄성파 성분
Figure 112011039021810-pat00003
이 Transceiver IDT로 진행 (오른쪽 왼쪽)
(11) (9-1)에서 생성(변화)된 기준 반사 표면탄성파의 Transceiver IDT 도달
(12) (11)에서 도달된 표면탄성파가 Transceiver에서 RF 신호로 변환 압전 현상
(13) (12)에서 변환된 RF 신호가 안테나를 통해 공간 전파
Figure 112011039021810-pat00004
(14) (10-4)에서 진행되던 반사 탄성파가 Transceiver IDT에서 RF 신호로 변환
(15) (14)에서 변환된 RF 신호가 안테나를 통해 공간 전파
Figure 112011039021810-pat00005
(16) 공간상으로 전파되던 (13)의 신호가 인텔리전트 타이어 센서 리더 도달
(17) 공간상으로 전파되던 (15)의 신호가 인텔리전트 타이어 센서 리더 도달
(18) 인텔리전트 타이어 리더에서 (16) 및 (17)의 수신 신호 분석
(18-1) 신호 분석을 통해 타이어 하중 정보 추출
(18-2) 추출된 하중 정보를 인텔리전트 타이어 ECU로 전송
위와 같은 과정을 통해 인텔리전트 타이어 센서 시스템은 동작하며, 무전원 센서로부터 추출된 하중 정보를 인텔리전트 타이어 ECU로 전송함으로써 인텔리전트 타이어 센서 시스템은 1 Cycle의 작동을 하는데, 과정 (1) ~ 과정 (18)까지 수행하는 데 걸리는 시간은 10 usec 정도이다.
따라서, 센서에 전원을 인가하지 않으면서 고속 계측이 가능하다. 당해연도 본 연구에서 개발한 인텔리전트 타이어 센서는 SAW에 직접하중이 인가되는 방식이 아니라 SAW와 결합된 외부 하중센서에 하중이 인가되는 간접하중 방식의 가변 임피던스 센서 구조인데, 통상적인 간접하중 방식의 가장 큰 문제점은 센서의 감지도(sensitvity)가 매우 낮다는 것이다.
보고된 바에 의하면 가변 임피던스 구조의 SAW 무전원 센서의 경우 센서 해상도가 약 5% FSO(Full scale out)정도에 불과하다고 알려져 있다. 그런데 5% FSO 수준의 센서는 본 연구에 적합하지 않으므로 센서 감지도를 향상시키기 위해 본 발명에서는 마이크로파 전송선로 이론을 외부 센서에 적용시켰다.
마이크로파 전송선로 이론에 의하면, 전송선로의 임피던스가 신호선과 Ground 사이의 일정 지점에서 Open, short 혹은 임피던스를 갖게 된다면 위상에 의해 전체 전송선로의 임피던스가 크게 변하게 된다.
따라서, 본 발명에서는 센서의 감지도를 높이기 위해 마이크로파 전송선로형 센서 구조를 채택하여 SAW 트랜스폰더의 반사표면탄성파 성분이 부하 임피던스 변화(본 발명에서는 전송선로 임피던스 변화 및 센서구조 임피던스 성분의 합)에 크게 영향을 받아 센서 감지도를 높이도록 하였다.
전자 공학의 회로 이론과 마이크로파 대역에서의 전송 선로 이론의 차이점은 크기의 차이에 있다. 회로 해석시 전자 회로의 물리적 크기는 신호의 파장보다 매우 작다는 전제하에 회로 해석을 수행하게 되지만 전송 선로 이론에서는 선로의 물리 크기가 신호의 파장과 비슷하거나 약간 클 따름이다.
따라서, 전송 선로 내에서 전압 및 전류의 크기와 위상은 전송 선로의 크기에 따라 변하게 되므로, 전송 선로는 분산 매개변수(Distributed parameter) 네트워크라 한다.
전송 선로를 도식적으로 표현하면, 통상 두 개의 선로 쌍으로 표현하게 되는데, 이는 TEM(Transvers Electromagnetic)파 진행시 적어도 두 개 이상의 도체(혹은 선로)가 필요함에 기인한다.
도 6은 미소 길이 전송 선로에서 전압 전류 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 6(a)와 같은 짧은 길이의 전송 선로에 대한 등가 회로는 도 6(b)와같으며, 이때 분산 소자 정수 R, L, G, C는 각각 다음과 같은 의미를 갖는다.
R: Series resistance per unit length [/m]
L: Series inductance per unit length [H/m]
G: Shunt conductance per unit length [S/m]
C: Shuntnt capacitance per unit length [F/m]
전송 선로에서의 파동 방정식 및 해는 (공간)매질에서의 평면파의 파동 방정식의 해와 비슷한 형태를 갖는다. 전송 선로의 특성 임피던스를 나타내는 식은 육안으로 보이는 단순한 신호선일지라도 적용 주파수가 마이크로파 혹은 RF파 수준의 고주파가 흐르게 되면 안테나를 통해 공간으로 전파하는 고주파와 비슷한 성질을 갖게 됨을 의미한다.
따라서, 단순한 신호선일지라도 고주파가 선로 상에 인가되게 되면 전송 선로 자체에 R(저항), L(인덕턴스), C(정전용량) 성분이 모두 포함되고, 이러한 원리를 SAW 트랜스폰더의 외부 임피던스 부하형 센서 구조로 채택하게 된다면 SAW 트랜스폰더에 잘 정합될 수 있는 인텔리전트 타이어 센서를 개발할 수 있음을 의미한다.
외부 부하 임피던스형 센서와 결합한 SAW 트랜스폰더의 반사파를 기술한 '수학식 1의 경우 센서의 감지도는 분모 성분이 되는 ZL의 가변 범위를 복소평면으로 표시할 수 있는 감지도
Figure 112011039021810-pat00006
성분의 위상을 조절(0~360도)함으로써 구현할 수 있으므로 앞서 기술한 마이크로파 전송선로 이론을 이용하여 적절한 형태의 인텔리전트 타이어 센서 구조를 도출할 수 있다.
Figure 112011039021810-pat00007
수학식 2의 경우 인텔리전트 타이어 센서의 감지도를 표현하는데, 여기서 ZL은 센서 구조의 부하 임피던스(zL)뿐 아니라 전송선로의 특성임피던스(zO) 성분을 모두 포함한다. 즉,
Figure 112011039021810-pat00008
이다. 그런데 수학식 2에서 센서 감지도는 0~2P2 13의 범위에 있게 되므로 SAW 트랜스폰더의 Electro-acoustic coupling 특성이 좋으면 좋을수록 센서의 감지특성은 좋아지게 된다. 이러한 이유에서 SAW 소자를 이용한 무전원 센서 설계시 저삽입 손실 특성을 갖는 SAW 소자를 설계하여야 한다.
도 7은 인텔리전트 타이어 센서 구성 중 마이크로파 전송선로와 결합한 외부 하중센서 구조(위쪽) 및 실제 제작한 형태(아래쪽)를 도시한 도면이다.
도 7에서 본 발명에 적용하기 위한 하중센서의 구조와 실제 제작한 형태를 나타내고 있다. 위 그림에서 하중이 인가되어 접지선(Ground)과 접촉하고 있는 금속돔형막(Metal dome diaphragm)이 구부러지게 되면(Bending), 최종적으로 금속돔형막은 바닥과 접촉(Touch)하게 되고, 하중이 증가할수록 접촉된 면적이 증가하여 최종적으로는 z=z2까지 접촉이 일어나게 된다.
이경우 신호선(Signal line)과 금속돔(Metal dome) 사이의 커패시턴스(Capacitance)가 커지는 효과 외에도 전송선로의 길이(Δz)가 z2에서 z1으로 가변하게 되는 효과가 있다.
따라서, 표면탄성파 반사파 성분의 변화는 단순히 커패시턴스뿐 아니라 전송선로의 길이가 짧아짐으로 인해 생기는 변화량까지 합쳐져서 영향을 받게 되므로 센서의 감지도를 개선할 수 있다.
따라서, 본 발명에서 제작한 센서의 형태는 전송 선로형 센서이며, 전송 선로의 특성 임피던스(Impedance)를 결정하는 여러 인자들 중 직렬 저항(Series resistance), 직렬 인덕턴스(Series inductance)를 가변시키며, 션트 저항(Shunt capacitance)를 변동시키는 구조이다.
도 8은 마이크로스트립라인(Microstrip Line)에서의 전자기장 분포를 도시한 도면이다.
마이크로파 대역에서 신호 전송을 위해 많이 사용되는 전송 선로의 형태의 하나인 마이크로스트립라인은 TEM(Transverse Electromagnetic)파의 전송에 적합한 형태이며, 무엇보다도 PCB(Printed Circuit Board) 공정에 적합한 형태이다. MMIC(Monolithic Microwave Integrateed Circuit)와 같이 반도체 기판을 사용하는 경우에도 마이크로스트립 형태는 많이 쓰이고 있다.
전송 선로에서 가장 중요한 매개 변수는 전송 선로의 특성 Impedance로써 대부분의 통신 시스템은 종단 임피던스(Impedance)가 50Ω인 소자 및 시스템을 채택하므로, 일반적으로 마이크로스트립라인(Microstrip Line)의 특성 임피던스(Impedance)를 50Ω으로 설계하는 것은 임피던스 정합(Impedance Matching)의 관점에서 매우 중요한 설계 변수이다.
마이크로스트립라인(Microstrip Line)에서의 전자계 분포는 도 8과 같이 신호선(Signal Line)과 접지면(Ground Plane) 사이의 유전체(e) 사이를 TEM 모드(Mode)로서 전파하게 된다.
마이크로스트립 전송 선로의 특성 임피던스(Impedance)는 선로의 두께를 무시한 경우, 도 9와 같은 전송 선로의 특성 임피던스(Impedance)는 Wheeler식과 Schneider의 식에 의해 표현할 수 있다.
도 9는 마이크로스트립라인의 형상을 도시한 도면이다.
그런데 마이크로스트립라인(Microstrip line) 형태의 센서 구조를 채택한다면 마이크로스트립라인의 특성 임피던스는 주로 기판 물질에 크게 의존하므로 본 발명에서와 같이 전송선로의 형상을 일부 변경함으로써 특성 임피던스의 변화를 유도하고 결과적으로 SAW 트랜스폰더와 결합하는 형태에서는 적합하지 않다.
도 10은 CPW(Coplanar Waveguide)에서 전자기장 분포를 도시한 도면이다.
코플래너웨이브가이드(CPW; Coplanar Waveguide)는 마이크로스트립라인과는 달리 동일 평면상에서 신호 트래이스(Signal trace)와 접지 도체(Ground conductor)가 제작될 수 있다는 점에서 제작의 용이성과 아울러 설계의 편리성을 추구할 수 있으므로 많이 사용되는 TEM 전송 선로이다.
또한, CPW의 특성 임피던스(Impedance)를 50Ω 근처로 설계하였을 때는 마이크로스트립라인보다 적은 손실과, 적은 분산(Dispersion) 특성을 갖게 된다. CPW에서 전자기장 분포는 도 10과 같이 중앙의 도체 스트립(Conductor strip)으로부터 양옆의 접지(Ground)로 전기장이 형성되며, 이 전기장과 법선 방향으로 자기장이 형성된다. 그런데 CPW는 대부분의 경우 무한한 접지면(Ground plane)이 아닌 유한한 접지면(Ground plane) 구조를 갖는다.
도 11은 유한한 Ground Plane의 CPW(Coplanar Waveguide)의 형상을 도시한 도면이다.
도체 트레이스(Conductor trace)의 두께가 두꺼워짐에 따라 특성 임피던스가 작아진다. 전송 선로의 특성 임피던스가 전송 선로를 이루는 분산 소자 정수인 R, L, G, C의 함수로 나타낼 수 있으며, 만약 R과 G가 0인 저항 손실 및 유전 손실이 없는 양도체라면, C와 L 값만으로 나타난다.
즉, CPW의 신호 트레이스(Signal trace)의 두께가 두꺼워짐에 따라 신호 트레이스(gnal trace)와 접지면(Ground plane)의 측면에서의 정전 용량(Capacitance)은 커지게 되며, 이것은 CPW 전송 선로의 특성 임피던스는 작아지게 된다.
따라서, 본 발명 마이크로파 대역에서의 CPW 전송 선로형 센서일 경우, 신호 두께를 조절함으로써 전송선로의 특성 임피던스를 원하는 값으로 만들 수 있으며, 금속돔형막(Metal dome diaphragm)의 접촉면적 증가에 따라 특성 임피던스 값을 조절할 수 있다.
즉, 도 7과 같은 센서 구조에서 금속돔(Metal dome)이 인가하중에 따라 바닥에 접촉(Touch-down)됨에 따라 금속돔형막(Metal dome diaphragm)이 접촉(Touch-down)된 영역의 Trace(신호선)의 두께가 증가하게 되므로 전송선로의 특성 임피던스가 감소하게 되는데, 실제 두께 영향뿐 아니라 커패시턴스(Capacitance)의 변화(증가)까지 수반하므로 특성 임피던스는 크게 낮아지게 되며, 결과적으로 SAW 트랜스폰더의 반사파 성분
Figure 112011039021810-pat00009
에 영향을 미침으로써 고감도 센서 작용을 하게 된다.
도 12는 하중인가(F1<F2<F3)에 따른 도 7의 전송 선로형 하중 센서 428MHz~438MHz 대역에서의 임피던스 변화(Capacitive 특성 Inductive 특성)를 도시한 도면이다.
도 7과 같은 센서 구조에 대하여 고주파 대역에서의 특성 테스트를 수행한 도 12의 결과를 보면, 예측할 수 있는 바와 같이 초기에는 낮은 용량성(Capacitive) 특성을 보이다가(O;-80O-804.19pF) 하중을 인가함에 따라 접촉(Touch)되기 전에는(도 12(b)) 초기에 비해 용량성(Capacitive) 부하가 더 많이 인가된 것과 같은 효과가 있다(=9O;-43O+8pF).
점차 하중을 더욱 인가하여 도 12(c)와 같이 접촉(Touch-down)이 발생하는 시점에서는 지금까지의 용량성(Capacitive) 특성은 크게 증가하여 오히려 저항 특성을 보이게 된다(=16O;-1O+356pF). 센서에 더 많은 하중이 인가되어 접촉(Touch-down) 면적이 늘어나게 되면 지금까지의 용량성(Capacitive) 특성은 사라지고 유도성(Inductive) 특성이 나타나게 된다(=51.5O;36O+13.4nH).
센서의 이러한 특성(인가하중에 따라 용량성(Capacitive) 특성에서 유도성(Inductive) 특성 변화하는 특성)은 그동안 SAW를 이용한 무전원 센서 연구자들이 개발하여 왔던 통상적인 방식인 가변 용량성(Capacitive) 특성만을 갖는 센서구조가 갖는 한계인 낮은 감지도(Sensitivity) 특성을 크게 개선하는 효과가 있다.
도 13은 스미스 챠트로 표시한 하중센서 거동(중심 주파수 433MHz)을 도시한 도면이다.
도 13은 도 12의 측정결과를 스미스챠트(Smith chart)로 다시 표현한 것이다. 도 13을 통해 알 수 있듯이 초기 센서의 거동은 용량성(Capacitive) 특성을 갖게 되는 거동을 수행하는데, 접지(Ground)와 연결된 금속돔형막(Metal dome diaphragm)이 신호 트레이스(Signal trace; Lower electrode)와 맞닿게 되는 접촉(Touch-down)이 발생하게 되면 센서의 거동은 지금까지의 용량성(Capacitive) 특성이 아닌 유도성(Inductive) 특성으로 천이하게 된다.
이러한 센서 거동은 본 발명에서 적용하고자 하는 타이어 특성에 적합한 거동을 보인다. 즉, 타이어는 기본적으로 주행 중 인장과 압축이 반복되므로 인장 거동에서 나타내는 특별한 센서특성 및 압축에서의 독특한 센서특성이 필요하며(스트레인게이지의 경우 양/음의 값) 일반 스트레인 게이지와 같이 오프셋 포인트(Offset point)가 계속 이동하는 현상은 없어야 한다.
그런데 본 발명에서 적용하고자 하는 센서는 용량성(Capacitive) 특성에서 유도성(Inductive) 특성까지 천이하게 되므로 가령 인장일 경우 유도성(Inductive) 특성을 보이게 하고 압축일 경우 용량성(Capacitive) 특성을 보이게 하는 것이 가능하다.
아울러, 스트레인 게이지처럼 오프셋 포인트(Offset point)가 계속 이동하는 현상은 센서의 초기값을 도 13의 (c)지점처럼 접촉(Touch-down)이 막 시작되는 지점으로 설정해 놓으면 센서 거동의 초기값을 확보함으로써 오프셋 포인트(Offset point)의 이동을 제한할 수 있다.
아울러, 도 13을 보면 센서의 커패시턴스(Capacitance)는 하중인가 정도에 따라 스미스 챠트(Smith chart)의 하반구 전영역을 이동하고 있으므로 센서의 스팬(Span)이 매우 넓음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라 고안된 CPW 전송선로형 센서 구조는 기존의 외부임피던스형 SAW 무전원/무선 센서의 낮은 감도 문제를 해결한 구조이며, 가혹한 타이어 내부 환경에 내성을 갖는 센서이다.
본 발명에 따른 CPW 전송선로형 하중센서는 센서 임피던스의 가변 범위가 하중 인가에 따라 용량성(Capacitive) 특성에서 유도성(Inductive) 특성까지 변화하므로 센서 감도 특성을 극대화할 수 있다.
즉, 수학식 2에서와 같이 센서의 감지도는
Figure 112011039021810-pat00010
와 같이 나타낼 수 있으며, 여기서 P33는 Sensor IDT에서의 특성 어드미턴스(Characteristic admittance)로써 최적화한 값은 1/50(mho)이다.
따라서, 도 12(d)와 같이 센서의 특성이 유도성(Inductive) 특성으로 변하고 이때의 CPW 전송선로형 센서의 부하임피던스(ZL)가 50Ω에 근접하게 된다면 센서의 감지 특성은 '0'에 가깝게 된다.
물리적으로 센서의 감지 특성이 '0'에 가깝게 된다는 것은 더 이상 센서의 임피던스 변화가 탄성파에 영향을 주지 않는다는 의미인데, 이때의 센서 임피던스가 50Ω이라면 임피던스 매칭이 이루어졌으므로 더 이상 센서 효과(Sensor effect)가 없게 된다.
반면, 도 12(a)와 같이 초기 상태에서의 센서 임피던스가 0Ω에 가깝다면 이때의 센서 감지 특성은 최대값에 근접하게 된다. 실제로 이러한 예측에 대하여 SAW 트랜스폰더와 CPW 전송선로형 하중센서를 결합하고 하중을 인가하였을 때 시간 영역(TDR; Time domain reflectometer)에서의 SAW 트랜스폰더의 반사파 특성(S11)은 예상한 바와 같은 결과를 보였다.
도 14는 SAW 트랜스폰더와 하중센서 결합 후 하중 인가 전/후의 SAW 응답신호를 도시한 도면이다.
도 14에서는 앞서 설명한 인가 하중에 따른 SAW 반사파 신호의 크기변화 특성 및 이때의 복소평면에서의 위상 변화에 대하여 실험적으로 검증한 신호를 나타내고 있다.
도 14(a)의 경우 무부하 상태이므로 센서의 응답 특성(S11)은 최대값(-14dB)을 지시하고 있다. 그리고 하중인가를 최대로 하였을 때(최대의 Touch-down이 일어났을 때)의 센서의 감지도는 예상한 바와 같이 센서의 응답 특성(S11)은 최소값(-24dB)을 나타내고 있으며, 이 결과는 앞서 이론적으로 전개하여 도출한 결과와 일치한다.
본 발명에 따른 CPW 전송선로형 하중 센서 구조는 제작 및 테스트 결과 지금까지 SAW 트랜스폰더와 결합하기 위한 가변 임피던스 형태의 센서가 갖는 낮은 감지특성을 크게 개선하여 SAW 응답 특성의 최소값 및 최대값 사이의 편차는 10dB이다. 통상적인 아날로그(Analog) 센서의 경우 최대 및 최소값 차이가 6dB정도의 차이만 나더라도 아날로그(Analog) 감지가 가능한 것을 감안한다면 본 연구결과를 통해 도출된 센서의 감지성능은 매우 우수하다고 할 수 있다.
도 15는 용량성(Capacitive) 센서의 구조(단면)를 도시한 도면이다.
CPW 전송선로형 하중센서는 기본적으로 용량성(Capacitive) 센서 형태이다. 용량성(Capacitive) 센서의 경우 기본적인 구조는 도 15와 같이 나타낼 수 있다. 아울러, 이때의 커패시턴스(Capacitance)는
Figure 112011039021810-pat00011
와 같이 나타낼 수 있다. 여기서는 Diaphragm의 (x,y)좌표에서의 처짐을 나타낸다.
용량성(Capacitive) 센서의 커패시턴스(Capacitance)는 식에서 알 수 있듯이 초기의 Diaphragm과 하부 전극(Lower electrode) 사이의 간극(d)의 처짐량이 가장 중요한 변수이다.
도 12(b)~(c)의 측정 결과에서 알 수 있듯이 하중이 점점 강하게 Diaphragm에 인가되었을 경우 Diaphragm은 하부 전극(Lower electrode)쪽으로 처지게 되고 결과적으로 커패시턴스(Capacitance)는 증가하게 된다. 계속 하중을 인가할 경우 Diaphragm과 하부 전극(Lower electrode)는 서로 맞붙게(Touch-down) 된다.
접촉(Touch-down) 이후의 박막의 거동과 이때의 커패시턴스(Capacitance) 변화는 도 14와는 다른 양상을 보인다. 접촉(Touch-down) 이후 박막의 거동은 비선형 거동을 수행하게 되고, Touch-down 면적이 증가할수록 그동안 선형 거동에서는 무시하던 성분인 스트레칭(Stretching)이 중요한 거동 변수로써 추가된다.
즉, 하중이 점점 강하게 인가하게 되면서 접촉(Touch-down)된 면적이 일정 정도(보고에 의하면 전체 영역의 1/9) 이상이 되면 스트레칭(Stretching) 효과에 의해 접촉(Touch) 구조 센서의 커패시턴스(Capacitance) 선형성이 깨지고 오히려 더욱 큰 힘을 인가한다 하더라도 접촉(Touch) 면적은 크게 증가하지 않는다. 이러한 이유에서 박막센서 구조 설계에 있어 비선형 거동은 가급적 피하려고 한다.
따라서, 본 연구에서는 원형 금속돔(Metal dome)의 경계조건을 일반적인 센서와 같이 원주 전체로 설정하지 않고 금속돔(Metal dome)의 일부 원호만 경계조건으로 하는 센서 구조이므로 다른 접촉 모드(Touch mode) 센서와 달리 스트레칭(Stretching)에 의한 비선형 특성을 크게 완화하였다. 센서가 접촉 모드(Touch-mode)일 경우 센서 거동은 도 16과 같이 나타난다. 이때의 커패시턴스는
Figure 112011039021810-pat00012
와 같이 표현된다.
도 16은 터치 모드 용량성(Touch mode Capacitive) 센서의 구조(단면)를 도시한 도면이다.
또한, 본 발명에 따른 CPW 전송선로형 인텔리전트 타이어 하중센서의 구조와 실물 제작 형태는 도 17과 같다.
도 17은 본 발명에 따른 인텔리전트타이어 하중센서 구조 및 프로토타입(Prototype) 센서 제작 결과를 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 무전원 구동방식의 인텔리전트 타이어 센서에 대하여 실제 타이어 인가 하중에 대한 상관성 도출을 위한 테스트를 수행하였다. 테스트는 타이어에 종방향 및 횡방향으로 스트레인게이지를 붙이고 0~500kgf를 인가하였을 때의 스트레인 변량을 측정한 이후 하중에 대하여 가장 선형적인 특성을 보이는 위치를 검출하였다.
이후 타이어 절편 같은 위치에 스트레인 게이지와 본 발명에 따른 인텔리전트타이어 센서를 붙이고 타이어 변형테스트를 수행하였다. 초기 공기가 주입된 타이어에 0~500 kgf를 인가하였을 때의 스트레인 값과 타이어 절편에 붙인 스트레인 게이지가 타이어 절편의 변형에 의해 생긴 스트레인 값이 같으면 타이어 절편에서도 같은 하중이 작용한 것과 같다는 전제하에서 타이어 하중스트레인 게이지 사이의 상호 상관관계와 타이어 절편에서의 스트레인 게이지개발 센서 사이의 상관관계를 도출하고 스트레인 게이지 변량 기준으로 타이어 하중개발 센서의 상관관계의 선형성을 테스트하였다.
도 18은 타이어 하중에 따른 스트레인 상관관계를 위한 시험 상황을 도시한 도면이다.
도 18과 같이 타이어에 하중을 인가하였을 때, 타이어 면에 종/횡(x/y) 방향으로 스트레인 게이지를 붙였을 때 하중과 스트레인 게이지 사이의 상관관계를 테스트하였다. 도 18과 같이 스트레인 게이지를 종/횡 방향으로 붙였을 때의 시험 결과는 도 19와 같다.
도 19는 타이어 인가하중에 따른 스트레인 경향 및 상관관계 시험 결과를 도시한 도면이다.
도 19와 같은 시험 결과는 타이어에 하중이 정적 인가(Static loading)되었을 때를 나타내며, 동적 인가(Dynamic loading; 주행 중 타이어 면에서의 스트레인 직접 측정)에 대한 스트레인은 도 20과 같다.
도 20은 타이어 구동 시 접지면에서 방향에 따른 스트레인 변화를 도시한 도면이다.
도 19에서 하중과 스트레인의 상관관계가 큰 방향은 횡방향(y 방향) 스트레인인데, 타이어 주행 테스트 시 측정한 스트레인을 참고할 때 접촉 패치(Contact patch)의 모서리(시작 및 끝 지점)에서 타이어 인가하중의 영향을 가장 크게 받는 곳은 종방향이 아닌 횡방향이며 접촉 패치(Contact patch)의 중앙부에서 인가하중의 영향을 가장 크게 받는 곳은 종방향이다.
그러나 Dynamic loading이 아닌 Static loading 시험에서는 차량 주행시와 같이 종방향으로 큰 스트레인을 만들기 어려우므로 본 연구에서 개발한 센서 Validation은 횡방향 스트레인으로 하였다.
Static loading을 통한 타이어 하중과 스트레인 상관관계 도출 후(본 연구에서는 0~500 kgf 하중 인가시 횡방향 스트레인은 1,100 ~ 1,700으로 측정됨) 이를 도 21과 같은 타이어 절편에 스트레인 게이지와 본 연구를 통해 고안된 하중센서를 같이 부착시킨 후 타이어 절편이 굽혀졌을 때의 스트레인 게이지와 하중센서 사이의 상관관계를 도출하였다.
도 21은 타이어 절편에서 하중센서 검증 시험 상황을 도시한 도면이다.
본 시험에서 스트레인 게인지는 NI PXI를 이용하여 측정하였으며, 하중센서는 센서와 SAW 트랜스폰더를 연결한 후 네트워크 분서기(Network Analayzer)에서 S11 TDR 측정을 수행하였다.
도 21과 같은 절편 테스트를 통해 도출한 스트레인과 SAW 센서 응답 특성은 아래 도 22와 같다.
도 22는 타이어 절편 테스트 결과를 통한 하중센서-스트레인-타이어하중 사이의 선형적 상관 관계 그래프이다.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 외부에서 인가되는 전파를 수신하여 표면 탄성파로 변환하는 전파 수신부;
    상기 표면 탄성파를 변환하여 전기 신호를 생성하는 전기 신호 발생부;
    외부에서 인가된 하중에 따라 상기 전기 신호가 전송되는 전송 선로의 길이를 변화시킴으로써 상기 전기 신호를 변형하는 전기 신호 변형부;
    상기 변형된 전기 신호를 표면 탄성파로 변환하는 변형 표면 탄성파 발생부; 및
    상기 변형된 표면 탄성파를 전파로 변환하여 외부로 송신하는 전파 송신부를 포함하는 거동 비선형 특성을 억제한 박막 구조의 고주파 전송 선로형 무전원 무선 하중 측정 센서로서,
    상기 전송 선로는 코플래너웨이브가이드인 것을 특징으로 하는 거동 비선형 특성을 억제한 박막 구조의 고주파 전송 선로형 무전원 무선 하중 측정 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전기 신호 변형부는 상기 전송 선로에 연결되고 상기 외부 인가 하중에 따라 내부 임피던스가 변경되는 가변 임피던스 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 거동 비선형 특성을 억제한 박막 구조의 고주파 전송 선로형 무전원 무선 하중 측정 센서.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 전기 신호 변형부는 상기 가변 임피던스 구조의 내부 형상을 변경시킴으로써 상기 전송 선로의 길이를 조절하는 것을 특징으로 하는 거동 비선형 특성을 억제한 박막 구조의 고주파 전송 선로형 무전원 무선 하중 측정 센서.
  4. 삭제
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 가변 임피던스 구조는 커패시터 구조인 것을 특징으로 하는 거동 비선형 특성을 억제한 박막 구조의 고주파 전송 선로형 무전원 무선 하중 측정 센서.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 커패시터 구조는 상기 코플래너웨이브가이드의 신호선 상부에 위치하고, 상기 코플래너웨이브가이드의 접지선에 연결된 금속막을 포함하는 것을 특징으로 하는 거동 비선형 특성을 억제한 박막 구조의 고주파 전송 선로형 무전원 무선 하중 측정 센서.
  7. 외부에서 인가되는 전파를 수신하여 표면 탄성파로 변환하는 전파 수신부;
    상기 표면 탄성파를 변환하여 전기 신호를 생성하는 전기 신호 발생부;
    외부에서 인가된 하중에 따라 상기 전기 신호가 전송되는 전송 선로의 길이를 변화시킴으로써 상기 전기 신호를 변형하는 전기 신호 변형부;
    상기 변형된 전기 신호를 표면 탄성파로 변환하는 변형 표면 탄성파 발생부;
    상기 변형된 표면 탄성파를 전파로 변환하여 외부로 송신하는 전파 송신부; 및
    상기 전파 송신부로부터 수신된 전파를 수신하여 상기 인가된 하중을 산출하는 하중 산출부를 포함하는 무선 하중 측정 시스템으로서,
    상기 전송 선로는 코플래너웨이브가이드인 것을 특징으로 하는 무선 하중 측정 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 전기 신호 변형부는 상기 전송 선로에 연결되고 상기 외부 인가 하중에 따라 내부 임피던스가 변경되는 가변 임피던스 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 하중 측정 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 전기 신호 변형부는 상기 가변 임피던스 구조의 내부 형상을 변경시킴으로써 상기 전송 선로의 길이를 조절하는 것을 특징으로 하는 무선 하중 측정 시스템.
  10. 삭제
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 가변 임피던스 구조는 커패시터 구조인 것을 특징으로 하는 무선 하중 측정 시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 커패시터 구조는 상기 코플래너웨이브가이드의 신호선 상부에 위치하고, 상기 코플래너웨이브가이드의 접지선에 연결된 금속막을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 하중 측정 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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