KR101598588B1 - 압전소자를 이용한 차량의 자체 속도 감지장치 및 그 감지방법 - Google Patents

압전소자를 이용한 차량의 자체 속도 감지장치 및 그 감지방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량의 자체 속도를 압전소자로 감지하고 감지신호를 분석 및 가공하여 차량의 속도를 측정하는 장치와 그 방법에 관한 것으로, 차량의 차체 표면에 고정 장착되어 차량 엔진의 구동 때에 발생되는 진동을 전달하는 브래킷; 상기 브래킷에 고정 결합되어 브래킷을 통해 전달된 진동을 전압신호로 변환하여 출력하는 압전소자; 상기 압전소자의 전압신호 중에서 고역주파수 및 노이즈를 제거하고 저역주파수를 통과하는 저역통과 여파기; 차량의 기어 변속에 따른 회전수(RPM) 대비 차륜의 회전수를 대비하기 위하여 입력하는 변속비 입력기, 및 상기 변속비 입력기에서 입력된 회전수와 저역통과 여파기에서 입력된 저역주파수를 기어변속에 따른 차량의 속도로 환산하여 출력하는 속도측정용 CPU로 구성된 차량의 자체 속도 감지장치로 차량의 자체 속도를 감지하는 방법을 제공한다. 본 발명은 차량을 변형하거나 분해하지 않고도 차량 차체의 원하는 곳에 설치할 수 있고, 브래킷과 압전소자 및 저역통과 여파기 및 속도측정용 CPU를 포함하는 회로의 설계 및 제작에 따른 제조단가가 저렴하며, 차량의 속도정보를 이용하는 다양한 기기에 용이하게 적용할 수 있고, 차량 자체 속도를 검출하는 장치의 정확성 및 신뢰성을 향상시킨 것이다.

Description

압전소자를 이용한 차량의 자체 속도 감지장치 및 그 감지방법{Apparatus for Sensing Speed itself of Vehicle using Piezo-Electric Effect Element and Method thereof}
본 발명은 차량의 자체 속도를 압전소자로 감지하고 감지신호를 분석 및 가공하여 차량의 속도를 측정하는 장치와 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 자체 속도를 감지 및 측정하는 방법으로 GPS신호를 수신하는 방법과 차륜을 감지하는 방법, 그리고 차량 엔진의 변화를 검출하는 방법 등이 있다.
GPS신호를 수신하는 방법은 관성항법 시스템은 시간의 변화와 현재 위치하는 좌표를 계산하여 속도를 검출하는 것으로, 위성항법장치, 즉 내비게이션 등에 주로 사용되는 것으로 오차가 발생하는 문제가 있다. 또한, 차륜을 감지하여 속도를 표시하는 속도계는 차의 속도를 나타내는 계기로 모든 차량에 장착되어 있다. 속도계는 우리나라, 일본, 독일 등은 km/h로 나타내고, 미국에서는 mile/h를 사용한다. 속도 표시의 오차는 ±5%로 실제보다 빠른 속도가 계기판에 나타나는 경우가 대부분이다. 속도계에는 주행 거리의 합계를 표시하는 적산계와 함께 과속 경보 장치가 내장된 것도 있다. 경보 장치가 있는 차는 시속 100km를 넘을 경우 소리와 빛으로 경고한다. 속도계는 지침으로 속도를 나타내는 아날로그 방식과 숫자가 표시되는 디지털 방식이 있다. 아날로그 방식은 트랜스미션의 출력축 회전을 웜 기어에서 끌어내어 플렉시블 축으로 미터에 유도하는 기계식이 가장 많다.
따라서 종래에 차량 제조사에서 제조한 차량에 장착된 속도계는 차량의 자체 속도 정보를 다양한 부가 장치 등에 이용할 수 없고, GPS신호를 수신하는 관성항법 시스템은 기기 자체의 오차로 인하여 속도 정보의 정확성을 신뢰할 수 없는 문제가 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-1998-0043950호(1998.09.05. 공개)
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 압전소자, 브래킷, 저역통과 여파기 및 변속비 입력기를 이용하여 감지신호를 분석 및 가공하여 차량의 속도를 측정하고 차량의 속도와 관련된 각종 장치들의 이용의 편의를 향상시키기 위한 것이 목적이다.
또한, 본 발명은 차량 엔진 내부의 피스톤의 상하운동으로 발생되는 진동에 의한 차량 엔진의 회전수(RPM)로부터 주파수 영역을 추출함으로써 차량의 속도를 측정하기 위한 것이 다른 목적이다.
또한, 본 발명은 차량을 변형이나 분해 없이도 차체 중 원하는 어느 위치에도 설치하여 차량의 속도를 감지 및 측정하여 다양한 기기에 차량의 속도정보를 이용할 수 있도록 하기 위한 것이 또 다른 목적이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 차량의 차체 표면에 고정 장착되어 차량 엔진의 구동 때에 발생되는 진동을 전달하는 브래킷; 상기 브래킷에 고정 결합되어 브래킷을 통해 전달된 진동을 전압신호로 변환하여 출력하는 압전소자; 상기 압전소자의 전압신호 중에서 고역주파수 및 노이즈를 제거하고 저역주파수를 통과하는 저역통과 여파기; 차량의 기어 변속에 따른 회전수(RPM) 대비 차륜의 회전수를 대비하기 위하여 입력하는 변속비 입력기, 및 상기 변속비 입력기에서 입력된 회전수와 저역통과 여파기에서 입력된 저역주파수를 기어변속에 따른 차량의 속도로 환산하여 출력하는 속도측정용 CPU를 포함하여 이루어진 압전소자를 이용한 차량의 자체 속도 감지장치를 제공한 것이 특징이다.
또한, 본 발명에서, 상기 변속비 입력기는 차량의 크랭크축에서 발생한 엔진의 출력이 변속기 안에서 구동력으로 변환될 때 각 기어의 비율인 3.214 : 1을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은, (a) 변속비 입력기에서 속도측정용 CPU로 차량의 변속비를 입력하는 단계; (b) 차량에 고정 설치된 브래킷에 결합된 압전소자에서 차량의 진동을 감지하여 주파수로 변환하는 단계; (c) 상기 압전소자에서 변환된 주파수를 저역통과 여파기에서 저주파대역을 여파한 후 통과하는 단계, 및 (d) 속도측정용 CPU는 상기 저역통과 여파기에서 입력된 신호를 표본화하여 회전수를 측정한 후 속도로 변환하고, 상기 변속비 입력기에서 입력된 변속비와 대비하여 차량의 속도 값을 출력하는 단계를 포함하여 이루어진 압전소자를 이용한 차량의 자체 속도 감지방법을 제공한 것이 특징이다.
본 발명에 따르면, 차량을 변형하거나 분해하지 않고도 차량 차체의 원하는 곳에 설치할 수 있고, 브래킷과 압전소자 및 저역통과 여파기 및 속도측정용 CPU를 포함하는 회로의 설계 및 제작에 따른 제조단가가 저렴하며, 차량의 속도정보를 이용하는 다양한 기기에 용이하게 적용할 수 있고, 차량 자체 속도를 검출하는 장치의 정확성 및 신뢰성을 향상시킨 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실시 예로, 압전소자를 이용한 차량의 자체 속도를 감지하는 장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 차량의 자체 속도를 감지하는 장치를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 차량의 자체 속도를 감지하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 차량의 자체 속도 감지장치에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1에서, 차량 일측에 고정 장착된 브래킷(20)에 결합된 압전소자(10)는 차량의 진동신호를 저역통과 여파기(30)로 입력하고, 저역통과 여파기(30)는 기저대역의 주파수를 속도측정용 CPU(40)로 입력하여 속도측정용 CPU(40)에서 신호를 표본화한 후에 차량 엔진의 회전수(RPM)를 측정할 수 있도록 한다. 그리고 속도측정용 CPU(40)는 차량의 변속비 입력기(50)에서 입력된 변속비를 환산하여 속도 값으로 출력할 수 있도록 한다.
도 2에서, 브래킷(20)은 차량의 차체 표면에 고정 장착되어 차량 엔진의 구동 때에 발생되는 진동을 전달하는 기구이다. 브래킷(20)은 차량의 진동, 즉 엔진 내부에서 작동하는 피스톤의 상하운동에 의한 크랭크축의 회전 진동을 용이하게 감지할 수 있는 곳에 장착되는 것이 좋지만, 차량의 시동 후에 발생되는 진동을 감지할 수 있는 어느 곳에도 장착될 수 있을 것이다.
압전소자(10)는 브래킷(20)에 고정 결합되어 브래킷을 통해 전달된 진동을 전압신호, 즉 일정 파장의 주파수로 변환하여 신호선(21)으로 출력하는 것이다. 압전소자(10)는 압전기 현상을 나타내는 소자로, 피에조전기소자라 한다. 압전소자는 수정이나 전기석 또는 로셸염 등이 주로 이용되었고, 최근에는 인공결정에 의한 압전성이 우수한 타이타늄산바륨, 인산이수소암모늄, 타타르산에틸렌다이아민 등이 이용된다. 압전기는 어떤 종류의 결정판에 일정한 방향에서 압력을 가하면 판의 양면에 외력에 비례하는 양과 음의 전하가 나타나는 현상이다. 한 장의 결정판에 나타나는 압전기는 미약하지만 금속박을 삽입하면서 여러 장을 겹칠 경우 그 양이 크게 증대된다. 또, 결정판에는 고유의 진동이 있고 탄성진동과 전기진동이 일치하면 압전기와 결합되어 더욱 강한 진동이 일어난다.
저역통과 여파기(30)는 압전소자(10)의 전압신호 중에서 고역주파수 및 노이즈를 제거하고 저역주파수를 통과하는 것으로, 능동형 저역통과 여파기이다. 저역통과 여파기(30)는 주파수의 저역 부분을 통과시키는 필터이다. 따라서 저역통과 여파기(30)는 자유롭게 통과할 수 있는 주파수 통과대를 제외한 일정 주파수 이상의 주파수를 감쇠시켜 차단시킨다. 더욱이 펄스 부호 변조(PCM) 방식에서는 아날로그 신호를 일정한 표본화 주기로 표본화하여 그 표본화를 다시 디지털화하는데, 이 경우 입력 아날로그 신호에 포함되는 표본화 주파수의 절반을 넘는 주파수를 가진 성분을 차단하여 에일리어싱(aliasing)에 의한 잡음의 발생을 억제하기 위해 사용하는 저역 필터이다.
변속비 입력기(50)는 차량의 기어 변속에 따른 회전수(RPM) 대비 차륜의 회전수를 대비하기 위하여 입력하는 것이다. 변속비(gear ratio)는 감속비로서 엔진의 회전수와 추진축 또는 변속기 주축의 회전수와의 비다. 즉, 변속기 입력축의 회전수와 출력축의 회전수와의 비율이며, 변속 위치에 따라 기어비가 다르다. 회전력은 작으나 구동력이 큰 저속에서는 기어비가 크고, 회전력은 크고 구동력이 작은 고속에서는 기어비가 작아진다. 더욱이 변속비는 3.214:1 또는 간략하게 3.214와 같이 수치로 나타낸다. 예컨대, 기어비가 3.0일 때 엔진의 회전수가 3,000rpm이면, 프로펠러샤프트의 회전수는 1,000rpm이 되어 1/3로 감속되고, 바퀴의 회전수는 차동기어에서 다시 한 번 감속되어 1,000rpm보다 작아진다. 이 차동기어에 의한 감속 비율을 최종 감속비다.
속도측정용 CPU(40)는 변속비 입력기(50)에서 입력된 회전수와 저역통과 여파기(30)에서 입력된 저역주파수를 기어변속에 따른 차량의 속도로 환산하여 출력하는 것이다. 속도측정용 CPU(40)는 차량의 기어 변속에 따른 속도 환산의 일관성을 가지도록 회전수(RPM) 대비 차륜의 회전수를 대비시킬 수 있는 변속비 입력기(50)로부터 변속비를 입력받는다.
이와 같이 이루어진 본 발명의 압전소자를 이용한 차량의 자체 속도 감지장치로부터 차량의 자체 속도를 감지하는 방법에 관하여 도 3의 흐름도를 참조하여 설명한다.
우선, 도 3에서, 속도측정용 CPU(40)는 차량의 시동 후에 변속비 입력기(50)에서 차량의 변속비를 입력받는다(S11). 이때, 차량이 움직이지 않는 경우에는 변속비 입력기(50)에서 는 변속비 값이 발생되지 않아 속도측정용 CPU(40)에서 차량의 속도 값은 출력되지 않는다.
그리고 차량의 움직임이 발생하면, 차량에 고정 설치된 브래킷(20)에 결합된 압전소자(10)에서 차량의 진동을 감지한다(S12). 압전소자(10)는 차량의 진동을 주파수 신호로 변환하여 출력한다(S13). 따라서 압전소자(10)에서 변환된 주파수는 저역통과 여파기(30)로 신호선(21)을 통해 출력되고, 저역통과 여파기(30)는 입력된 주파수 중에서 기저대역을 여파한 후 통과시킨다(S14).
속도측정용 CPU(40)는 저역통과 여파기(30)에서 통과하여 입력된 신호를 표본화한다(S15). 즉 속도측정용 CPU(40)는 입력된 신호를 이산적인 시점에서 취출한 값으로 표본화한다. 그리고 속도측정용 CPU(40)는 표본화된 신호로부터 회전수(RPM)를 측정한다(S16). 이후 속도측정용 CPU(40)는 측정된 회전수를 속도로 변환하고(S17), 변속비 입력기(50)에서 입력된 변속비와 대비하여 차량의 속도 값을 출력한다(S18).
따라서 본 발명의 압전소자를 이용한 차량의 자체 속도를 감지하는 방법은 속도측정용 CPU에서 브래킷에 결합된 압전소자에서 차량의 진동 주파수와 변속비 입력기에서 입력된 차량의 변속비 신호를 변환, 분석 및 가공하여 차량의 자체 속도를 출력함으로써 차량의 속도를 이용하는 다양한 기기의 활용도를 향상시킨 장점이 있다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
10: 압전소자
20: 브래킷
30: 저역통과 여파기
40: 속도측정용 CPU
50: 변속비 입력기

Claims (3)

  1. 차량의 차체 표면에 고정 장착되어 차량 엔진의 구동 때에 발생되는 진동을 전달하는 브래킷;
    상기 브래킷에 고정 결합되어 브래킷을 통해 전달된 진동을 전압신호로 변환하여 출력하는 압전소자;
    상기 압전소자의 전압신호 중에서 고역주파수 및 노이즈를 제거하고 저역주파수를 통과하는 저역통과 여파기;
    차량의 기어 변속에 따른 회전수(RPM) 대비 차륜의 회전수를 대비하기 위하여 입력하는 변속비 입력기, 및
    상기 변속비 입력기에서 입력된 회전수와 저역통과 여파기에서 입력된 저역주파수를 기어변속에 따른 차량의 속도로 환산하여 출력하는 속도측정용 CPU를 포함하여 이루어진 압전소자를 이용한 차량의 자체 속도 감지장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 변속비 입력기는 차량의 크랭크축에서 발생한 엔진의 출력이 변속기 안에서 구동력으로 변환될 때 각 기어의 비율인 3.214 : 1을 포함하는 압전소자를 이용한 차량의 자체 속도 감지장치.
  3. (a) 변속비 입력기에서 속도측정용 CPU로 차량의 변속비를 입력하는 단계;
    (b) 차량에 고정 설치된 브래킷에 결합된 압전소자에서 차량의 진동을 감지하여 주파수로 변환하는 단계;
    (c) 상기 압전소자에서 변환된 주파수를 저역통과 여파기에서 저주파대역을 여파한 후 통과하는 단계, 및
    (d) 속도측정용 CPU는 상기 저역통과 여파기에서 입력된 신호를 표본화하여 회전수를 측정한 후 속도로 변환하고, 상기 변속비 입력기에서 입력된 변속비와 대비하여 차량의 속도 값을 출력하는 단계를 포함하여 이루어진 압전소자를 이용한 차량의 자체 속도 감지방법.
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