KR102466589B1 - 무선 데이터 송신을 갖는 브레이크 패드 마모 센서 - Google Patents

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안드레아스 쿠르츠
발테르 하인리히
미하엘 뢸레케
플로린 그루이아누
마리안 케크
마타쉐 루수
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

차량 바퀴 모니터링 디바이스는 타이어 압력 모니터링 유닛, 차량의 바퀴에 배치된 타이어 압력 센서 유닛 및 차량의 바퀴에 배치된 브레이크 패드 마모 센서 유닛을 포함한다. 브레이크 패드 마모 센서 유닛은 브레이크 패드 마모 센서 및 브레이크 패드 마모 센서로부터 방출된 신호를 수신하고 그것을 타이어 압력 모니터링 유닛으로 무선으로 송신하도록 구성된 무선 송신기를 포함한다. 에너지 하베스팅 디바이스(energy harvesting device)는 외부 소스로부터 얻어진 에너지를 전력으로 변환하도록, 그리고 브레이크 패드 마모 센서 유닛 및 송신기에 전력을 제공하도록 구성된다. 브레이크 패드 마모 센서 유닛 및 타이어 압력 센서 유닛은 타이어 압력 모니터링 유닛에 의해 모니터링된다.

Description

무선 데이터 송신을 갖는 브레이크 패드 마모 센서
본 발명은 차량의 바퀴에 배치된 타이어 압력 센서, 차량의 바퀴에 배치된 브레이크 패드 마모 센서, 및 상기 센서들을 모니터링하고 제어하는 상기 차량 내에 상기 차량의 바퀴로부터 이격된 위치에 배치된 타이어 압력 모니터링 유닛을 포함하는 차량을 위한 차량 바퀴 모니터링 디바이스에 관한 것이다.
승객 안전을 보장하기 위해, 차량은 다양한 차량 부품 및 시스템의 상태를 모니터링하는 다양한 유형의 센서 시스템을 포함한다. 예를 들면, 브레이크 패드 두께를 모니터링하는 것이 중요하다. 브레이크 패드가 천천히 마모되더라도, 적절한 제동 동작이 최소 브레이크 패드 두께를 유지하기 위해 중요하다. 일부 차량에서, 브레이크 패드 마모는 캐리어가 브레이크 패드와 동시에 브레이크 디스크와 접촉하고, 브레이크 패드와 동시에 마모되는 방식으로 캐리어 상에 브레이크 패드에 인접하여 장착되는 희생 브레이크 패드 마모 센서를 이용하여 검출된다. 브레이크 패드 센서는 케이블에 의해, 센서의 저항을 결정하는 전자 제어 유닛에 연결되고, 이는 결과적으로 브레이크 패드의 두께에 대응한다. 케이블은 브레이크 패드 부근의 고온 환경으로 인해, 브레이크 패드 센서를 전자 제어 유닛을 포함하는 브레이크 패드 센서와 연관된 전자 장치에 연결하기 위해 이용된다.
본 발명의 목적은 차량의 바퀴에 배치된 타이어 압력 센서, 차량의 바퀴에 배치된 브레이크 패드 마모 센서, 및 상기 센서들을 모니터링하고 제어하는 상기 차량 내에 상기 차량의 바퀴로부터 이격된 위치에 배치된 타이어 압력 모니터링 유닛을 포함하는 차량을 위한 차량 바퀴 모니터링 디바이스를 제공하는 것이다.
일부 양태에서, 차량 바퀴 모니터링 디바이스는 상기 차량 내에 상기 차량의 바퀴로부터 이격된 위치에 배치된 타이어 압력 모니터링 유닛, 차량의 적어도 하나의 바퀴에 배치된 타이어 압력 센서 유닛 및 차량의 적어도 하나의 바퀴에 배치된 브레이크 패드 마모 센서 유닛을 포함한다. 브레이크 패드 마모 센서 유닛은 바퀴의 브레이크 패드의 마모 상태를 검출하고 마모 상태를 나타내는 신호를 방출하도록 구성되는 브레이크 패드 마모 센서, 브레이크 패드 마모 센서로부터 방출된 신호를 수신하고 그것을 원격 디바이스에 무선으로 송신하도록 구성된 무선 송신기, 및 전원 공급 장치 예를 들면, 외부 소스로부터 얻은 에너지를 전력으로 변환하도록 구성된 배터리 또는 에너지 하베스팅 디바이스(energy harvesting device)를 포함한다. 전원 공급 장치는 브레이크 패드 마모 센서 유닛 및 송신기에 전원을 제공하도록 구성된다. 차량의 브레이크 패드 마모 센서 유닛 및 타이어 압력 센서 유닛의 각각은 타이어 압력 모니터링 유닛에 의해 모니터링되고 제어된다.
차량 바퀴 모니터링 디바이스는 다음 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 에너지 하베스팅 디바이스는 브레이크 패드의 마찰에 기반한 제동 동작 동안 발생된 열 에너지를 이용함으로써 전력을 생산한다. 에너지 하베스팅 디바이스는 브레이크 패드를 지지하는 구조와 물리적으로 접촉하고, 브레이크 패드의 마찰에 기반한 제동 동작 동안 발생된 열 에너지는 브레이크 패드 및 브레이크 패드를 지지하는 구조를 통한 열 전도를 통해 에너지 하베스팅 디바이스로 전달된다. 무선 송신기는 브레이크 패드로부터 이격되어 있고, 브레이크 패드 마모 센서는 전도성 와이어 하네스(electrically conductive wire harness)를 통해 무선 송신기에 전기적으로 연결된다. 에너지 하베스팅 디바이스는 제 1 외향 표면 및 대향된 제 1 내향 표면을 갖는 제 1 세라믹 플레이트, 제 2 외향 표면 및 대향된 제 2 내향 표면을 갖는 제 2 세라믹 플레이트, 및 제 1 층과 제 2 층 사이에 배치된 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자를 포함하는 열전기 에너지 하베스터가다. p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자는 p형 반도체 소자가 n형 반도체 소자와 교번하는 어레이로 배열되고 직렬 전기 회로는 어레이의 p형 반도체 소자와 n형 반도체 소자 사이에 형성된다. 제 1 세라믹 플레이트 및 제 2 세라믹 플레이트는, 제 1 및 제 2 내향 표면이 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자에 대향하도록 스택으로 배열되고, 제 1 외향 표면이 제 2 외향 표면보다 높은 온도에 있을 때, 회로 내에 전류가 발생된다. 브레이크 패드 마모 센서 유닛은 브레이크 패드 마모 센서로부터 방출된 신호의 신호 획득 및 신호 프로세싱을 제공하도록 구성된 전자 장치 유닛을 포함하고, 무선 송신기는 전자 장치 유닛으로부터의 출력을 타이어 압력 모니터링 유닛으로 송신하도록 구성된다. 전자 장치 유닛으로부터의 출력은 브레이크 패드의 마모 상태에 대응하는 신호 및 브레이크 패드 마모 센서를 고유하게 식별하는 식별자를 포함한다. 전자 장치 유닛은 타이어 압력 모니터링 유닛으로 동작가능한 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit)를 포함한다. 타이어 압력 센서 유닛은 타이어 압력 센서로부터 방출된 신호의 신호 획득 및 신호 프로세싱을 제공하도록 구성된 전자 장치 유닛을 포함하고, 타이어 압력 센서 유닛의 전자 장치 유닛은 브레이크 패드 마모 센서 유닛의 주문형 집적 회로와 동일한 방식으로 동작하는 주문형 집적 회로를 포함한다. 에너지 하베스팅 디바이스는 진동을 검출하고 검출된 진동을 전력으로 변환하도록 구성된 디바이스이다.
일부 양태에서, 센서 시스템은 물리적 특성을 검출하고 물리적 특성을 나타내는 신호를 방출하도록 구성된 센서 유닛; 센서 유닛으로부터 방출된 신호를 수신하고 그것을 원격 디바이스에 무선으로 송신하도록 구성된 무선 송신기; 및 외부 소스로부터 얻어진 열 에너지를 전력으로 변환하도록, 그리고 센서 유닛 및 송신기에 전력을 제공하도록 구성된 에너지 하베스팅 디바이스를 포함한다.
센서 시스템은 다음 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 센서 유닛은 차량의 브레이크 패드의 마모 상태를 검출하도록 구성된 브레이크 패드 센서이고, 에너지 하베스팅 디바이스는 브레이크 패드의 마찰에 기반한 제동 동작 동안 발생된 열 에너지를 이용함으로써 전력을 생산한다. 에너지 하베스팅 디바이스는 브레이크 패드를 지지하는 구조와 물리적으로 접촉하고, 브레이크 패드의 마찰에 기반한 제동 동작 동안 발생된 열 에너지는 브레이크 패드 및 브레이크 패드를 지지하는 구조를 통한 열 전도를 통해 에너지 하베스팅 디바이스로 전달된다. 무선 송신기는 브레이크 패드로부터 이격되어 있고, 센서 유닛은 전도성 와이어를 통해 무선 송신기에 전기적으로 연결된다. 센서 시스템은 자동차의 모니터링 및 제어 네트워크에 연결된다. 에너지 하베스팅 디바이스는 제 1 외향 표면 및 대향된 제 1 내향 표면을 갖는 제 1 세라믹 플레이트, 제 2 외향 표면 및 대향된 제 2 내향 표면을 갖는 제 2 세라믹 플레이트, 및 제 1 층과 제 2 층 사이에 배치된 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자를 포함하는 열전기 에너지 하베스터가다. p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자는 p형 반도체 소자가 n형 반도체 소자와 교번하고 직렬 전기 회로가 어레이의 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자 사이에 형성되는 어레이로 배열된다. 제 1 세라믹 플레이트 및 제 2 세라믹 플레이트는 제 1 및 제 2 내향 표면이 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자에 대향하도록 스택으로 배열되고, 제 1 외향 표면이 제 2 외향 표면보다 높은 온도에 있을 때, 회로 내에 전류가 발생된다. 센서 시스템은 센서 유닛으로부터 방출된 신호의 신호 획득 및 신호 프로세싱을 제공하도록 구성된 전자 장치 유닛, 및 전자 장치 유닛으로부터의 출력을 원격 디바이스로 송신하도록 구성된 송신기를 포함한다. 원격 디바이스는 타이어 압력 모니터링 유닛이다. 전자 장치 유닛은 타이어 압력 모니터링 유닛으로 동작가능한 주문형 집적 회로를 포함한다.
일부 실시예에서, 차량 바퀴 모니터링 디바이스는 상기 차량 내에 상기 차량의 바퀴로부터 이격된 위치에 배치된 타이어 압력 모니터링 유닛; 차량의 바퀴에 배치된 타이어 압력 센서 유닛; 및 차량의 바퀴에 배치된 브레이크 패드 마모 센서 유닛을 포함한다.
브레이크 패드 마모 센서 유닛은 바퀴의 브레이크 패드의 마모량을 검출하고 브레이크 패드의 마모를 나타내는 신호를 방출하도록 구성되는 브레이크 패드 마모 센서; 센서 유닛으로부터 방출된 신호를 수신하고 그것을 원격 디바이스에 무선으로 송신하도록 구성된 무선 송신기 및 제어기를 포함하는 센서 전자 장치; 및 열 에너지를 전력으로 변환하도록 구성된 에너지 하베스팅 디바이스를 포함하고, 에너지 하베스팅 디바이스는 센서 유닛 및 송신기에 전력을 제공하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 브레이크 패드 마모 센서 유닛은 예를 들면, 브레이크 패드 마모 센서 유닛의 모든 부품을 브레이크 패드에 배치되는 단일 하우징에 함께 패키징함으로써 단일 집적 유닛으로서 형성된다. 다른 실시예에서, 브레이크 패드 마모 센서 및 에너지 하베스팅 디바이스는 브레이크 패드에 배치되고, 센서 전자 장치는 브레이크 패드로부터 이격된 위치에 배치된다. 이 실시예에서, 브레이크 패드 마모 센서 및 에너지 하베스팅 디바이스는 전도성 와이어를 통해 센서 전자 장치에 연결된다.
차량의 브레이크 패드 마모 센서 유닛 및 타이어 압력 센서 유닛의 각각은 타이어 압력 모니터링 유닛에 의해 모니터링되고 제어된다. 이를 위해, 브레이크 패드 마모 센서 유닛 내에서 이용된 센서 전자 장치는 타이어 압력 센서 유닛에서 제공된 것과 동일한 일부 부품을 포함한다. 브레이크 패드 마모 센서 유닛 및 타이어 압력 센서 유닛 둘 모두 내에서의 동일한 센서 전자 장치의 이용은 제조를 위해 요구된 부품 수를 감소시키고 따라서, 제조를 단순화하고 비용을 감소시킨다.
게다가, 브레이크 패드 마모 센서 유닛이 타이어 압력 센서 유닛과 동일한 센서 전자 장치를 이용하기 때문에, 타이어 압력 센서를 모니터링하기 위해 이용되는 타이어 압력 모니터링 유닛은 또한, 브레이크 패드 마모 센서를 모니터링하기 위해 이용될 수 있어서, 차량 내의 모니터링 시스템의 중복을 회피하며, 이는 결과적으로 차량 복잡성을 감소시키고 제조 비용을 더 감소시킨다.
일부 실시예에서, 브레이크 패드 센서는 열전기 에너지 하베스터를 이용하여 전력을 공급 받고, 열전기 에너지 하베스터에 의해 또한 전력을 공급받는 무선 연결부를 통해 원격 모니터링 시스템과 통신한다. 이 배열은 케이블이 브레이크 패드 센서에 전력을 공급하기 위해 그리고 브레이크 패드 센서를 모니터링 시스템에 연결하기 위해 이용되는 일부 종래의 브레이크 패드 센서 시스템과 비교될 수 있다. 브레이크 패드 센서가 열전기 에너지 하베스터에 의해 전력을 공급 받고 모니터링 시스템과 무선으로 통신하기 때문에, 케이블이 생략될 수 있고, 이에 의해 시스템이 단순화되고 차량 내에서 더 작은 공간을 갖는다.
열전기 에너지 하베스터의 이용은 상대적으로 복잡할 수 있고 움직이는 부품을 포함할 수 있는 예를 들면, 진동 및 운동 에너지 하베스터를 포함하는 일부 다른 유형의 에너지 하베스터에 비해 이롭다.
열전기 에너지 하베스터는 브레이크 패드에서의 위치와 제동 동작 동안 발생하는 브레이크 패드 부근 사이의 온도 변화도(thermal gradient)의 존재를 이용한다. 전형적으로, 상당한 열 에너지가 제동 동작 동안 제동 시스템 내에 발생된다. 예를 들면, 브레이크 패드가 차량 바퀴 브레이크 디스크에 대해 가해지는(urged against) 제동 동작 동안, 브레이크 패드 부근의 온도는 섭씨 300도에 도달할 수 있다. 이것은 브레이크가 동작되지 않고 브레이크 패드가 브레이크 디스크로부터 이격되는 동안의 차량 동작 동안 섭씨 100도 내지 섭씨 150도의 브레이크 패드 부근의 온도와 비교될 수 있다.
일반적으로, 에너지 하베스터 및 본 명세서에서 설명된 열전기 에너지 하베스터는 매우 적은 양의 전력을 제공하고, 따라서 전형적으로 저 에너지 전자 장치를 위해 이용된다. 열전기 에너지 하베스터 내에서 많은 접합부를 직렬로 전기적으로 연결함으로써 더 큰 전압 출력이 가능하다. 게다가, 열전기 에너지 하베스팅 디바이스로부터 이용가능한 전형적인 전력 밀도는 특정 애플리케이션에 크게 의존하고, 이는 결과적으로 예를 들면, 하베스터의 크기 및/또는 하베스터를 형성하기 위해 이용된 재료의 선택에 영향을 미칠 수 있다. 브레이크 패드의 경우에, 마모가 매우 느리게 발생하고 따라서, 브레이크 패드 두께 결정은 브레이크의 안전한 동작을 보장하기 위해 충분한 경계의 모니터링을 여전히 유지하면서 상대적으로 드물게(시간, 일 또는 그 이상의 시간 단위로) 이루어진다. 이 상대적으로 긴 시간 프레임은 열전기 에너지 하베스터에 의해 발생된 전력이 커패시터, 수퍼 커패시터 또는 배터리와 같은 전력 저장 디바이스에 축적되는 것을 허용한다. 도시된 실시예에서, 커패시터는 커패시터 내의 전하가 미리 결정된 양에 도달할 때 브레이크 패드 마모 센서 유닛의 부품에 에너지 스파이크(energy spike)를 제공하는 열전기 에너지 하베스터에서 발생된 전력을 축적하기 위해 이용된다.
도 1은 타이어 압력 센서 유닛 및 브레이크 패드 마모 센서 유닛과 무선으로 통신하는 타이어 압력 모니터링 유닛을 포함하는 차량 바퀴 모니터링 디바이스의 개략도.
도 2는 브레이크 패드 캘리퍼(brake pad caliper) 상에 장착된 브레이크 패드 마모 센서 유닛을 포함하는 차량 디스크 브레이크의 사시도.
도 3은 도 2의 브레이크 패드 마모 센서 유닛의 개략도.
도 4는 도 1의 브레이크 패드 마모 센서에 전력을 공급하기 위해 이용된 열전기 에너지 하베스터의 부분적인 절단 사시도.
도 5는 도 4의 열전기 에너지 하베스터의 단면도.
도 6은 브레이크 패드 캘리퍼 상에 장착된 일 대안적인 실시예의 브레이크 패드 마모 센서 유닛을 포함하는 차량 디스크 브레이크의 사시도.
도 7은 도 6의 브레이크 패드 마모 센서 유닛의 개략도.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 차량(도시되지 않음)은 차량 제동을 성취하기 위해 디스크 브레이크(4)를 구비한다. 각각의 디스크 브레이크(4)는 바퀴 축의 회전 속도를 감소시키거나 그것을 정지 상태로 유지하기 위해, 바퀴 축의 회전을 지연시키는 마찰을 생성하도록 바퀴 축(도시되지 않음)에 연결되는 브레이크 디스크(5)에 대해 한 쌍의 브레이크 패드(7)를 조이기(squeeze) 위해 이용되는 캘리퍼(6)를 포함한다. 일부 디스크 브레이크 시스템에서, 브레이크 디스크(5)의 각각의 측 상에 캘리퍼(6)가 장착되고, 브레이크 디스크(5)에 대향하도록 각각의 캘리퍼(6) 상에 브레이크 패드(7)가 장착된다. 어떠한 능동적 제동도 존재하지 않을 때, 캘리퍼(6) 및 브레이크 패드(7)는 브레이크 디스크(5)로부터 이격되어, 그것을 자유롭게 회전시키는 것을 허용한다. 제동 동작 동안, 캘리퍼(6)는 서로를 향해 이동되어 브레이크 패드(7)가 브레이크 디스크(5)에 대해 가압되게 한다. 브레이크 패드(7)와 브레이크 디스크(5) 사이의 마찰은 브레이크 디스크(5) 및 부착된 바퀴(도시되지 않음)가 느려지거나 정지되게 한다.
차량은 각각의 바퀴의 상태를 모니터링하고 제어하는 바퀴 모니터링 디바이스(1)를 포함한다. 예를 들면, 각각의 바퀴는 타이어 압력을 모니터링하고 바퀴를 식별하고 타이어 압력을 나타내는 정보를 바퀴 모니터링 디바이스(1)로 무선으로 송신하는 타이어 압력 센서 유닛(30)을 포함한다. 게다가, 각각의 바퀴는 하기에 더 논의된 바와 같이, 브레이크 패드(7)의 마모를 모니터링하고 바퀴를 식별하고 브레이크 패드 마모량을 나타내는 정보를 바퀴 모니터링 디바이스(1)로 무선으로 송신하는 브레이크 패드 마모 센서 유닛(50)을 포함한다.
바퀴 모니터링 디바이스(1)는 타이어 압력 모니터링 유닛(10), 타이어 압력 센서 유닛(30) 및 브레이크 패드 마모 센서 유닛(50)을 포함한다. 타이어 압력 모니터링 유닛(10)은 증폭기/아날로그 디지털(AD) 변환기 유닛(12)을 통해 트랜시버(20)로부터 신호를 전송하고 수신하는 타이어 압력 모니터링 유닛(TPMU) 제어기(14)를 포함한다. TPMU 제어기(14), 트랜시버(20) 및 증폭기/AD 변환기 유닛(12)은 전력 관리 유닛(16)에 의해 전력을 공급 받고, 상기 전력 관리 유닛은 결과적으로 차량 배터리(18)에 의해 전력을 공급 받는다. 전력 관리 유닛(16)은 예를 들면, 차량 배터리(18)에 의해 제공된 전압을 센서 유닛 전자 장치를 위해 적합한 레벨로 조정하는(예로서, 감소시키는) 전압 조정기를 포함할 수 있다. TPMU 제어기(14)는 타이어 압력 센서 유닛(30) 및 브레이크 패드 마모 센서 유닛(50)으로부터 수신된 정보를 분석하고 예를 들면, 차량 디스플레이(2) 상에 상태 정보를 디스플레이함으로써 바퀴 상태에 관한 정보를 차량 오퍼레이터에 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 타이어 압력이 위험하게 낮고/거나 브레이크 패드가 위험하게 마모되는 상황에서 경고 신호(가청가능하거나, 간의 또는 다른 적절한 신호)가 차량 오퍼레이터에 제공될 수 있다.
타이어 압력 모니터링 유닛(10)은 차량의 중앙에 일반적으로 위치될 수 있고 즉, 그것은 바퀴로부터 이격된 위치에 배치될 수 있으며, 차량 정보 시스템의 일부일 수 있다. 타이어 압력 센서 유닛(30) 및 브레이크 패드 마모 센서 유닛(50)의 각각은 타이어 압력 모니터링 유닛(10)과 무선으로 통신한다. 하기에 논의된 바와 같이, 브레이크 패드 마모 센서 유닛(50) 및 타이어 압력 센서 유닛(30) 둘 모두의 제어 전자 장치 내에서 동일한 주문형 집적 회로(ASICs)가 이용되고, 따라서 타이어 압력 모니터링 유닛(10)의 제어기(14)는 동일한 방식으로 타이어 압력 센서 유닛(30) 및 브레이크 패드 마모 센서 유닛(50) 둘 모두로부터 신호를 수신하고 프로세싱할 수 있다.
각각의 타이어 압력 모니터링 유닛(30)은 타이어 압력 센서(32), 제어기(34)를 포함하는 센서 전자 장치, 및 고 주파수 송신기(36)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 제어기(34)는 판독 전용 메모리(ROM), 플래시 메모리, 및 다른 보조 부품을 또한 포함하는 주문형 집적 회로(ASIC)의 일부이다. 타이어 압력 모니터링 유닛(30)은 또한, 타이어 압력 센서(32) 및 제어기(34)에 전력을 제공하는 전력원(38)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 전력원은 배터리이다.
타이어 압력 모니터링 유닛(30)은 차량의 각각의 바퀴에 제공된다. 예를 들면, 타이어 압력 모니터링 유닛(30)은 타이어에 의해 둘러싸이도록 바퀴 내부에 배치될 수 있고, 타이어 공기 밸브 스템의 내부 상에 장착될 수 있다. 제어기(34)는 타이어 압력 센서(32)로부터 방출된 신호를 수신하고, 바퀴의 타이어 압력 조건을 결정하며 바퀴 식별자와 함께 이 정보를 무선 송신기(36)에 제공한다. 무선 송신기(36)는 이 정보를 타이어 압력 모니터링 유닛(10)으로 송신하고, 적절한 경우, 타이어 압력 모니터링 유닛(10)은 차량의 오퍼레이터에게 경고를 제공할 수 있다. 경고는 대응하는 타이어 압력 상태를 나타내는 표시기(즉, 빛, 소리, 또는 햅틱 피드백)를 통해 이루어질 수 있다.
각각의 브레이크 패드 마모 센서 유닛(50)은 브레이크 패드 마모 센서(52), 제어기(54)를 포함하는 센서 전자 장치, 및 고 주파수 송신기(56)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 제어기(34)는 판독 전용 메모리(ROM), 플래시 메모리 및 다른 보조 부품을 또한 포함하는 ASIC의 일부이다. 브레이크 패드 마모 센서 유닛(50)에서 이용된 ASIC는 타이어 압력 모니터링 유닛(30)에서 이용된 ASIC와 동일할 수 있다. 브레이크 패드 마모 센서 유닛(50)은 또한, 브레이크 패드 마모 센서(52) 및 제어기(54)에 전력을 제공하는 전력원(58)을 포함한다. 이들 부품의 각각은 이제 더 상세히 설명될 것이다.
브레이크 패드 마모 센서(52)는 브레이크 패드 마모 상태를 검출하고 브레이크 패드(7)와 함께 마모되도록 설계된다. 예를 들면, 브레이크 패드 마모 센서(52)는 브레이크 패드(7)에 내장되거나 브레이크 패드(7)의 백킹 플레이트 상에 클립핑(clipping)되는 마모성 와이어 루프(도시되지 않음)와 같은 마모성 부품을 포함한다. 마모성 부품은 제어기(54)에 전기적으로 연결된다. 브레이크 패드(7)가 마모로 인해 미리 결정된 두께로 감소될 때, 마모성 부품은 브레이크 패드(7)와 함께 마모되고, 브레이크 패드 마모 센서(52)의 저항의 변화가 발생한다. 제어기(54)는 저항의 변화를 검출하고 그에 의해, 브레이크 패드(7)가 마모성 부품의 위치까지 마모되었다고 결정하며, 이에 의해 브레이크 패드(7)의 두께에 대응하는 마모 스테이지가 결정된다. 브레이크 패드 마모 센서(52)는 단일 스테이지 마모 검출을 위한 단일 마모성 와이어 루프 또는 다중 스테이지 마모 검출을 위한 다수의 마모성 루프를 포함할 수 있다. 구성이 단일 스테이지 또는 다중스테이지인지의 여부와 상관없이, 제어기(54)는 브레이크 패드 마모 센서(52)로부터 방출된 신호를 수신하고, 브레이크 패드(7)의 마모 상태를 결정하며 브레이크 식별기와 함께 이 정보를 무선 송신기(56)에 제공한다. 무선 송신기(56)는 이 정보를 타이어 압력 모니터링 유닛(10)으로 송신하고, 적절하다면, 타이어 압력 모니터링 유닛(10)은 브레이크 패드(7)의 마모의 대응하는 스테이지를 나타내는, 표시기(즉, 빛, 소리, 또는 햅틱 피드백)를 통해 차량의 오퍼레이터에게 경고를 제공할 수 있다. 표시기는 마모의 어느 스테이지가 제어기(54)에 의해 검출되는지에 의존하는 상이한 유형일 수 있다.
각각의 브레이크 패드 마모 센서 유닛은 전용 전력원(58)을 포함한다. 전력원(58)은 외부 소스로부터 얻어진 에너지를 전력으로 변환하도록, 그리고 제어기(54) 및 송신기(56)를 포함하는 센서 전자 장치 및 브레이크 패드 마모 센서(52)에 전력을 제공하도록 구성되는 에너지 하베스팅 디바이스가다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 도시된 실시예에서, 에너지 하베스팅 디바이스는 브레이크 패드(7)의 마찰에 기반한 제동 동작 동안 발생된 열 에너지를 이용함으로써 전력을 생산하는 열전기 에너지 하베스터(80)이다. 열전기 에너지 하베스터(80)는 제 1 내향 표면(81) 및 대향된 제 1 외향 표면(83)을 갖는 제 1 세라믹 플레이트(82)를 포함한다. 열전기 에너지 하베스터(80)는 제 1 세라믹 플레이트(82)로 적층되는 제 2 세라믹 플레이트(84)을 포함한다. 제 2 세라믹 플레이트(84)는 제 2 내향 표면(85) 및 대향된 제 2 외향 표면(87)을 갖는다. 게다가, 열전기 에너지 하베스터(80)는 제 1 세라믹 플레이트(82)와 제 2 세라믹 플레이트(84) 사이에 개재된 반도체 재료를 포함한다. 특히, p형 반도체 소자(86) 및 n형 반도체 소자(88)는 p형 반도체 소자(86)가 어레이의 행과 열 둘 모두에서 n형 반도체 소자(88)와 교번하도록 제 1 세라믹 플레이트(82) 및 제 2 세라믹 플레이트(84) 사이에서 2차원 어레이로 배열된다. 게다가, 어레이의 p형 반도체 소자(86) 및 n형 반도체 소자(88) 중 인접한 것은 어레이의 개별적인 소자(86, 88) 사이에 직렬 전기 회로가 형성되는 방식으로 개별적인 전도성 플레이트(90)를 이용하여 전기적으로 연결된다. 제 1 외향 표면(83)이 제 2 외향 표면(85)과 상이한 온도에 있을 때 회로 내에 직접 전류가 발생된다. 양의 리드(92)는 직렬 전기 회로의 하나의 단부에서 최외각 소자에 전기적으로 연결되고, 음의 리드(94)는 직렬 전기 회로의 대향 단부에서 최외각 소자에 전기적으로 연결되며, 이에 의해 열전기 에너지 하베스터(80) 내에서 발생된 전류가 수집되고 이용될 수 있다.
각각의 개별적인 p형 및 n형 반도체 소자(86, 88)에 걸쳐 발생된 전류는 매우 적다. 게다가, 개별적인 p 및 n형 반도체 소자(86, 88) 사이의 직렬 연결부의 형성에도 불구하고, 단일 제동 동작 동안 열전기 에너지 하베스터(80)에 의해 제공된 축적된 전하는 브레이크 패드 마모 센서 유닛(50)의 센서 전자 장치에 전력을 공급하기에 충분하지 않다. 이를 해결하기 위해, 열전기 에너지 하베스터(80)는 또한, 직류 직류(DC-DC) 변환기(62)를 통해 직렬 전기 회로에 연결되는 커패시터(64)와 같은 에너지 저장 디바이스를 포함한다. 커패시터(64) 및 DC-DC 변환기는 브레이크 패드 마모 센서 유닛(50)의 센서 전자 장치에 포함된다. 이용 시, 제동 이벤트가 발생할 때마다, 열전기 에너지 하베스터(80)에서 발생된 전하는 커패시터(64)에 저장된다. 커패시터(64) 내의 전하는 각각의 제동 이벤트를 통해 시간에 걸쳐 축적된다. 커패시터(64)의 특성에 의해 결정된 바와 같이, 커패시터(64) 내에서 충분한 전하가 도달될 때, 커패시터(64)는 센서 전자 장치로 전류를 방전한다. 방전은 센서 전자 장치에 전력을 제공하고 브레이크 패드 마모 상태에 대응하는 신호가 타이어 압력 모니터링 유닛(10)으로 송신되는 것을 허용한다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 브레이크 패드 마모 센서 유닛(50)은 브레이크 패드 마모 센서 유닛(50)의 하나의 단부에 브레이크 패드 마모 센서(52)가 배치되는 단일의, 집적 유닛으로서 형성되고, 센서 전자 장치(제어기(54), 송신기(56), 커패시터(64), 등을 포함하는)는 브레이크 패드 마모 센서 유닛(50)의 대향 단부에 배치되고, 열전기 하베스터(80)는 브레이크 패드 마모 센서(52) 및 센서 전자 장치 사이에 상주한다.
브레이크 패드 마모 센서 유닛(50)은 차량의 각각의 디스크 브레이크(4)에 대해 제공된다. 도시된 실시예에서, 단지 하나의 브레이크 패드 센서 유닛(50)은 디스크 브레이크(4)(예로서, 2개의 캘리퍼(6)가 단지 하나의 센서 유닛(50)을 갖는 브레이크 디스크(5)) 당 제공된다. 브레이크 패드 마모 센서(52)는 브레이크 패드 마모 센서(52)가 브레이크 패드(7)에 인접하고 브레이크 디스크(5)에 대향하도록 캘리퍼(6) 상에 지지된다. 열전기 에너지 하베스터(80)는 브레이크 디스크(5)로부터 멀리 대향하는 브레이크 패드 마모 센서(52)의 일 측 상의 브레이크 패드 마모 센서(52) 상에 지지된다. 제동 동작 동안 디스크 브레이크(4) 내에서 발생된 열은 캘리퍼(6) 및/또는 브레이크 패드 마모 센서(52)를 통해 열전기 에너지 하베스터(80)의 하나의 측으로(예를 들면, 제 1 세라믹 플레이트(82)로) 열적으로 전도된다. 따라서, 이 예에서, 제 1 세라믹 플레이트(82)는 열전기 에너지 하베스터(80)의 고온 측을 제공한다. 브레이크 패드 마모 센서(52)로부터 멀리 대향하는 열전기 에너지 하베스터(80)의 일 측 상에 배치된 제 2 세라믹 플레이트(84)는 주변 공기에 노출되고 열전기 에너지 하베스터의 저온 측을 제공한다. 선택적으로, 도시된 실시예에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 세라믹 플레이트(82, 84) 사이의 온도 변화도는 제 2 세라믹 플레이트(84) 상에 냉각 판(68)의 형태로 가열 싱크를 제공함으로써 증진될 수 있다. 냉각 판(68)은 제 2 세라믹 플레이트 외향 표면(87)에 인접하고 그것에 열적으로 연결된다. 냉각 판(68)은 열전기 에너지 하베스터 저온 측을 수동적으로 또는 능동적으로 냉각시키도록 구성될 수 있다. 게다가, 센서 전자 장치는 저온 측 상에 배치된다. 일부 실시예에서, 센서 전자 장치는 열전기 에너지 하베스터(80) 및 그 사이에 배치된 냉각 판(68)의 존재에 의해 고온 측으로부터 다소 열적으로 차폐될 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 일 대안적인 실시예인 브레이크 패드 마모 센서 유닛(150)은 전도성 와이어 하네스(74)를 통해 전기적으로 연결되는 2개의 별개의 서브유닛(152, 154)으로서 형성된다. 제 1 서브유닛(152)은 브레이크 패드 마모 센서(52) 및 열전기 에너지 하베스터(80)를 포함한다. 제 1 서브유닛(152)에서, 브레이크 패드 마모 센서(52)는 브레이크 패드 마모 센서(52)가 브레이크 패드(7)에 인접하고 브레이크 디스크(5)에 대향하도록 캘리퍼(6) 상에 지지된다. 열전기 에너지 하베스터(80)는 브레이크 디스크(5)로부터 멀리 대향하는 브레이크 패드 마모 센서(52)의 일 측 상의 브레이크 패드 마모 센서(52) 상에 지지된다. 제동 동작 동안 디스크 브레이크(4) 내에서 발생된 열은 캘리퍼(6) 및/또는 브레이크 패드 마모 센서(52)를 통해 열전기 에너지 하베스터(80)의 하나의 측으로(예를 들면, 제 1 세라믹 플레이트(82)로) 열적으로 전도된다.
제 2 서브유닛(154)은 제어기(54), 송신기(56), 커패시터(64), 등을 포함하는 센서 전자 장치를 포함한다. 제 2 서브유닛(154)은 브레이크 패드로부터 이격되는 위치에서 디스크 브레이크(4) 상에 지지된다. 예를 들면, 도시된 실시예에서, 제 2 서브유닛(154)은 캘리퍼 어셈블리의 외부 표면 상에 배치된다. 센서 전자 장치를 브레이크 패드(7)로부터 이격시킴으로써, 센서 전자 장치에 대한 제동 동작 동안 발생된 열의 부정적인 영향이 감소된다. 제 1 서브유닛(152)을 제 2 서브유닛(154)에 전기적으로 연결하는 와이어 하네스(74)는 열전기 에너지 하베스터(80)로부터의 양 및 음의 리드(92, 94) 및 브레이크 패드 마모 센서(52)로부터의 출력 리드(도시되지 않음)를 포함한다.
바퀴 모니터링 디바이스(1)가 타이어 압력 센서 유닛(30) 및 브레이크 패드 센서 유닛(50)을 모니터링하는 것으로서 설명되었을지라도, 바퀴 모니터링 디바이스(1)는 이들 센서를 모니터링하는 것으로 제한되지 않고 다른 유형의 센서 및/또는 센서 유닛은 대체될 수 있다. 게다가, 바퀴 모니터링 디바이스(1)는 타이어 압력 센서 유닛(30) 및 브레이크 패드 센서 유닛(50)에 더하여 바퀴 부근의 다른 센서(도시되지 않음)를 모니터링할 수 있다. 다른 센서의 예는 바퀴 회전 속도 센서, 온도 센서, 등을 포함하지만 그들로 제한되지 않는다.
도시된 실시예에서, 전력원(58)은 열전기 에너지 하베스터(80)이다. 그러나, 전력원(58)은 열전기 에너지 하베스터로 제한되지 않는다. 예를 들면, 전력원(58)은 진동을 검출하고 검출된 진동을 전력으로 변환하도록 구성되는 진동 에너지 하베스터와 같은 또 다른 유형의 에너지 하베스팅 디바이스일 수 있다. 게다가, 전력원(58)은 에너지 하베스터인 것으로 제한되지 않고, 배터리를 포함하지만 그것으로 제한되지 않는 또 다른 유형의 전력원일 수 있다.
차량 바퀴 모니터링 시스템(1)은 자동차, 트럭, 트랙터, 트레일러 또는 그들의 어떤 조합을 포함하지만 그들로 제한되지 않는 어떤 유형의 차량에서 이용될 수 있다.
도시된 실시예에서, 브레이크 패드 마모 센서(52)는 센서 내의 저항이 변경되는 방식으로 브레이크 패드(7)와 동시에 마모되는 희생 센서이다. 그러나, 브레이크 패드 마모 센서(52)는 이 유형의 희생 센서로 제한되지 않는다. 게다가, 브레이크 패드의 마모를 검출하기 위해 다른 유형의 센서 예를 들면, 광학 센서, 용량성 센서 또는 다른 적절한 센서가 이용될 수 있다.
배터리 팩 및 배터리 팩 하우징의 선택적 예시적인 실시예가 상기에서 일부 상세하게 설명된다. 이들 디바이스를 명확하게 하기 위해 필요한 것으로 고려되는 구조만이 본 명세서에 설명되었다는 것을 이해해야 한다. 다른 종래의 구조, 및 배터리 팩 시스템의 보조 및 예비 부품의 구조가 당업자에게 알려지고 상기 당업자에 의해 이해되는 것으로 가정된다. 게다가, 배터리 팩 및 배터리 팩 하우징의 동작 예가 상기 설명되었을지라도, 배터리 팩 및/또는 배터리 팩 하우징은 상기 설명된 동작 예로 제한되지 않지만, 청구항에 제시된 바와 같은 디바이스를 벗어나지 않고 다양한 설계 수정이 실행될 수 있다.

Claims (19)

  1. 차량 바퀴 모니터링 디바이스에 있어서,
    상기 차량 내에서 상기 차량의 바퀴로부터 이격된 위치에 배치된 타이어 압력 모니터링 유닛;
    상기 차량의 적어도 하나의 바퀴에 배치된 타이어 압력 센서 유닛; 및
    상기 차량의 적어도 하나의 바퀴에 배치된 브레이크 패드 마모 센서 유닛을 포함하고,
    상기 브레이크 패드 마모 센서 유닛은,
    바퀴의 브레이크 패드의 마모 상태를 검출하고 상기 마모 상태를 나타내는 신호를 방출하도록 구성되는 브레이크 패드 마모 센서;
    상기 브레이크 패드 마모 센서로부터 방출된 상기 신호를 수신하고 상기 신호를 원격 디바이스에 무선으로 송신하도록 구성된 무선 송신기; 및
    상기 브레이크 패드 마모 센서 유닛 및 상기 송신기에 전원을 제공하도록 구성된 전원 공급 장치를 포함하며,
    상기 차량의 브레이크 패드 마모 센서 유닛 및 타이어 압력 센서 유닛의 각각은 상기 타이어 압력 모니터링 유닛에 의해 모니터링되고 제어되고,
    상기 전원 공급 장치는 외부 소스로부터 얻은 에너지를 전력으로 변환하고 상기 전력을 상기 브레이크 패드 마모 센서 유닛 및 상기 송신기에 제공하도록 구성된 에너지 하베스팅 디바이스(energy harvesting device)이고,
    상기 에너지 하베스팅 디바이스는 브레이크 패드의 마찰에 기반한 제동 동작 동안 발생된 열 에너지를 이용함으로써 전력을 생산하고,
    상기 에너지 하베스팅 디바이스는 상기 브레이크 패드를 지지하는 구조와 물리적으로 접촉하고, 상기 브레이크 패드의 마찰에 기반한 제동 동작 동안 발생된 상기 열 에너지는 상기 브레이크 패드와 상기 브레이크 패드를 지지하는 구조를 통해 열 전도에 의해 상기 에너지 하베스팅 디바이스로 전달되고,
    상기 브레이크 패드 마모 센서 유닛은 상기 브레이크 패드 마모 센서로부터 방출된 신호의 신호 획득 및 신호 프로세싱을 제공하도록 구성된 전자 장치 유닛을 포함하고,
    상기 무선 송신기는 상기 전자 장치 유닛으로부터의 출력을 상기 타이어 압력 모니터링 유닛으로 송신하도록 구성되는, 차량 바퀴 모니터링 디바이스.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선 송신기는 상기 브레이크 패드로부터 이격되어 있고, 상기 브레이크 패드 마모 센서는 전도성 와이어 하네스(electrically conductive wire harness)를 통해 상기 무선 송신기에 전기적으로 연결되는, 차량 바퀴 모니터링 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 하베스팅 디바이스는 열전기 에너지 하베스터를 포함하고,
    상기 열전기 에너지 하베스터는,
    제 1 외향 표면 및 대향된 제 1 내향 표면을 갖는 제 1 세라믹 플레이트,
    제 2 외향 표면 및 대향된 제 2 내향 표면을 갖는 제 2 세라믹 플레이트, 및
    제 1 층과 제 2 층 사이에 배치된 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자로서, 어레이에서 상기 p형 반도체 소자가 상기 n형 반도체 소자와 교대로 배열되고, 상기 어레이의 p형 반도체 소자와 n형 반도체 소자 사이에 직렬 전기 회로가 형성되는, 상기 p형 반도체 소자 및 상기 n형 반도체 소자를 포함하고,
    상기 제 1 세라믹 플레이트 및 상기 제 2 세라믹 플레이트는, 상기 제 1 및 제 2 내향 표면이 상기 p형 반도체 소자 및 상기 n형 반도체 소자에 대향하도록 스택으로 배열되며,
    상기 제 1 외향 표면이 상기 제 2 외향 표면보다 높은 온도에 있을 때, 상기 회로 내에 전류가 발생되는, 차량 바퀴 모니터링 디바이스.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 장치 유닛으로부터의 상기 출력은 상기 브레이크 패드의 마모 상태에 대응하는 신호 및 상기 브레이크 패드 마모 센서를 고유하게 식별하는 식별자를 포함하는, 차량 바퀴 모니터링 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 장치 유닛은 상기 타이어 압력 모니터링 유닛과 동작가능한 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit)를 포함하는, 차량 바퀴 모니터링 디바이스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 타이어 압력 센서 유닛은 타이어 압력 센서로부터 방출된 상기 신호의 신호 획득 및 신호 프로세싱을 제공하도록 구성된 전자 장치 유닛을 포함하고, 상기 타이어 압력 센서 유닛의 전자 장치 유닛은 상기 브레이크 패드 마모 센서 유닛의 주문형 집적 회로와 동일한 방식으로 동작하는 상기 주문형 집적 회로를 포함하는, 차량 바퀴 모니터링 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 하베스팅 디바이스는 진동을 검출하고 상기 검출된 진동을 전력으로 변환하도록 구성된 디바이스인, 차량 바퀴 모니터링 디바이스.
  11. 센서 시스템에 있어서,
    물리적 특성을 검출하고 상기 물리적 특성을 나타내는 신호를 방출하도록 구성된 센서 유닛;
    상기 센서 유닛으로부터 방출된 상기 신호를 수신하고 상기 신호를 원격 디바이스에 무선으로 송신하도록 구성된 무선 송신기;
    외부 소스로부터 얻어진 열 에너지를 전력으로 변환하도록, 그리고 상기 센서 유닛 및 상기 송신기에 상기 전력을 제공하도록 구성된 에너지 하베스팅 디바이스(energy harvesting device);
    상기 센서 유닛으로부터 방출된 신호의 신호 획득 및 신호 프로세싱을 제공하도록 구성된 전자 장치 유닛; 및
    상기 전자 장치 유닛으로부터의 출력을 상기 원격 디바이스로 송신하도록 구성된 송신기를 포함하고,
    상기 센서 유닛은 차량의 브레이크 패드의 마모 상태를 검출하도록 구성된 브레이크 패드 센서이고, 상기 에너지 하베스팅 디바이스는 상기 브레이크 패드의 마찰에 기반한 제동 동작 동안 발생된 열 에너지를 이용함으로써 전력을 생산하고,
    상기 에너지 하베스팅 디바이스는 상기 브레이크 패드를 지지하는 구조와 물리적으로 접촉하고, 상기 브레이크 패드의 마찰에 기반한 제동 동작 동안 발생된 상기 열 에너지는 상기 브레이크 패드 및 상기 브레이크 패드를 지지하는 상기 구조를 통한 열 전도를 통해 상기 에너지 하베스팅 디바이스로 전달되는, 센서 시스템.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 무선 송신기는 상기 브레이크 패드로부터 이격되어 있고, 상기 센서 유닛은 전도성 와이어를 통해 상기 무선 송신기에 전기적으로 연결되는, 센서 시스템.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 센서 시스템은 자동차의 모니터링 및 제어 네트워크에 연결되는, 센서 시스템.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 에너지 하베스팅 디바이스는 열전기 에너지 하베스터를 포함하고,
    상기 열전기 에너지 하베스터는,
    제 1 외향 표면 및 대향된 제 1 내향 표면을 갖는 제 1 세라믹 플레이트,
    제 2 외향 표면 및 대향된 제 2 내향 표면을 갖는 제 2 세라믹 플레이트, 및
    제 1 층과 제 2 층 사이에 배치된 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자로서, 상기 p형 반도체 소자가 상기 n형 반도체 소자와 교번하는 어레이로 배열되고 직렬 전기 회로는 상기 어레이의 p형 반도체 소자와 n형 반도체 소자 사이에 형성되는, 상기 p형 반도체 소자 및 상기 n형 반도체 소자를 포함하고,
    상기 제 1 세라믹 플레이트 및 상기 제 2 세라믹 플레이트는, 상기 제 1 및 제 2 내향 표면이 상기 p형 반도체 소자 및 상기 n형 반도체 소자에 대향하도록 스택으로 배열되며,
    상기 제 1 외향 표면이 상기 제 2 외향 표면보다 높은 온도에 있을 때, 상기 회로 내에 전류가 발생되는, 센서 시스템.
  17. 삭제
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 원격 디바이스는 타이어 압력 모니터링 유닛인, 센서 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 전자 장치 유닛은 상기 타이어 압력 모니터링 유닛으로 동작가능한 주문형 집적 회로를 포함하는, 센서 시스템.
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