KR20000070299A - 압축 빌라리 효과 좌석벨트 인장센서 - Google Patents

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KR20000070299A
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마이클이. 오'보일
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진 에이. 테넌트
오토모티브 시스템즈 라보라토리, 인코포레이티드
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Abstract

빌라리 효과 좌석벨트 인장 센서(10)는 센서실(52)을 내부에 가지는 센서 하우징(30)을 포함한다. 센서 하우징(30)의 제 1 단부(34)는 다수의 인장봉(60)들의 수용을 위해 내부에 다수의 인장봉 구멍(36)들을 가진다. 자기 일그러짐 센서봉(22)을 포함하는 빌라리 효과 센서(20)는 상기 센서실(32)내에서 축방향으로 배치되고 센서 하우징(30)의 제 1 단부(34)에 접한다. 플런저(40)는 센서실(32)내에 배치되고 내부에서 활주 이동가능하다. 인장봉(60)의 한 단부는 플런저(40)에 고정된다. 스프링(50)은 플런저와 센서봉의 제 2 단부 사이에 배치되어 센서 하우징(30)의 제 1 단부를 향해 센서봉(22)을 바이어스 한다.

Description

압축 빌라리 효과 좌석벨트 인장 센서{COMPRESSIVE VILLARI EFFECT SEATBELT TENSION SENSOR}
본 발명은 자동차 승객 억제 벨트(좌석벨트) 응용품의 인장을 측정하기 위해 빌라리 효과(Villari effect) 센서를 도입하는 좌석벨트 인장 센서 시스템에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은 견고하고 온도변화에 영향받지 않는 좌석벨트 인장 센서 시스템을 제공하며 고도의 샘플링 비율로 아날로그 인장 측정값을 제공한다.
좌석벨트 인장의 측정값은 광범위한 상황에서 바람직하다. 좌석벨트 인장 측정값들은 좌석벨트 프리텐셔너(pretensioner)들을 트리거하고, 충돌의 격렬함에 따라 에어백 팽창형태를 변경하며, 좌석 승객의 어떤 전방 가속도든지 측정하도록 이용될 수 있기 때문에, 기타 충돌 관련 힘들이 계산될 수 있게 한다. 부가적으로, 좌석벨트 인장 측정값들은 자동차의 유아 좌석의 존재를 탐지하도록 좌석 가중 센서와 결합하여 사용될 수 있다.
차량은 승객의 부상을 감소시킬 목적으로 차량 충돌에 반응하여 작동되는 자동 안전 억제 액츄에이터들을 포함할 수 있다. 실예로, 그런 억제 액츄에이터들은 에어백, 좌석벨트 프리텐셔너(seat belt pretensioner) 및 전개가능한 무릎 보호대(deployable knee bolster)를 포함한다.
자동 안전 억제시스템의 한가지 목적은 승객 부상을 감소시키는 것으로, 자동 안전 억제시스템이 작동되지 않은 경우의 충돌로 발생될 부상보다 더 큰 부상이 자동 안전 억제시스템에 의해 초래되지 않도록 하는 것이다. 이들 자동 안전 억제액츄에이터의 보호장점에도 불구하고, 통상적으로 그것의 전개와 관련된 위험 및 비용문제가 존재한다. 일반적으로, 안전 억제시스템의 관련 구성품들을 재위치시키는 비용 문제 및 승객에게 부상을 입히는 그런 작동들에 의한 잠재위험 때문에 부상을 감소시킬 필요가 있을 때만 자동 안전 억제 액츄에이터가 작동되는 것이 바람직하다. 특히, 잠재적 위험이 에어백 억제시스템에 사실인 경우, 전개시 에어백에 매우 근접한 승객들 - 즉, 안전 위치외의 승객들 - 은 관련 차량충돌이 비교적 약할 때조차도 에어백의 전개로 인해 부상 또는 죽음에까지 이르는 약점이 있다. 더구나, 특히, 유아, 작은 성인 또는 부러지기 쉬운 약한 뼈를 가진 사람들과 같은, 작은 키나 약한 체격의 승객들은 에어백 팽창에 의해 유발되는 부상을 당하기 쉽다. 더욱이, 전방 좌석 승객측 에어백에 근접하여 정상적으로 배치된 후방을 향한 유아 좌석(rear facing infant seat; RFIS)에 적절히 고정된 유아가 에어백 팽창장치 모듈(airbag inflator module)로 향해진 유아 좌석 후방면의 근접성 때문에 에어백의 전개로 인한 부상 또는 죽음에 이르는 약점이 또한 있다.
그래서, 자동차 유아 좌석의 존재를 판단하여 에어백 팽창장치의 작동을 방지하는 것은 바람직하다. 자동차 좌석에 유아 좌석을` 고정할 때, 좌석벨트 인장은 종종 성인 또는 "정상 크기의" 승객들이 좌석벨트를 착용할 때 보다 상당히 더 큰 것으로 알려졌다. 좌석벨트를 착용하는 개인들은 정상 작동 조건하에서 10파운드 이상의 좌석벨트 인장으로 좌석벨트를 좀처럼 단단히 매지 않을 것이다. 이와 대조적으로, 실험은 유아 좌석을 고정하는데 사용되는 좌석벨트 인장이 50파운드 만큼이나 큼을 보여준다. 그런 장비가 설치된 시스템들에서, 좌석상의 승객의 가중을 감지하는데 사용되는 좌석 패드로 유아좌석을 강제로 하향시킴으로서 좌석벨트의 고 인장은 좌석 가중 센서에서 높은 판독값을 인위적으로 유도할 수 있다. 그러므로, 비정상적으로 높은 좌석벨트 인장이 높은 좌석 가중 판독값과 조합되어 존재할 때, 유아 좌석의 존재가 추론될 수 있어 이에 따라 에어백의 팽창 형태가 변경된다.
알려진 좌석벨트 인장 측정 시스템들은 일반적으로 스프링 부하 접촉 센서들 및 부하 셀(load cell)들을 포함한다. 스프링 부하 접촉 센서들은 임계값 가중 검출(threshold weight detection)만을 제공하는 것으로, 그것은 벨트상의 인장이 특정 임계값 이상인지 또는 그 미만인지 스프링을 이용하여 판별된다. 부하 셀들은 신뢰될 수 있는 아날로그 인장 측정값들을 적절하게 제공하지만 값이 비싸며, 주기 조정이 필요하고, 축밖의 부하들에 의해 쉽게 손상되며 온도의 변화에 따라 크게 변동되는 출력 판독값들을 가진다. 부가적으로, 많은 부하 셀 아날로그 출력 신호들은 인장 측정값을 얻을 때 시간 지연을 유발할 수 있어 승객 억제의 전개를 방지하는 것과 같은 시간 임계 작동(time-critical operation)에 부적합한 측정값을 제공하는 전자 합 정합(electronic summing junction)의 생성물이다
발명의 요약
본 발명에 따라, 빌라리 효과 센서를 채용하는 좌석벨트 인장 측정 시스템이 제공된다. 이 시스템은 좌석벨트상에 작용하는 인장력을 빌라리 효과 센서에 전달하여 좌석벨트에 존재하는 인장의 크기에 반응하는 전기 신호를 발생하는 장치를 제공한다. 빌라리 효과 센서를 내포하며 빌라리 효과센서에 작용하는 플런저의 축방향 이동을 허용하는 센서 하우징이 제공된다. 좌석벨트 인장 센서는 좌석 벨트상의 마찰 영향을 최소화시키는 동안 좌석벨트상에 작용하는 모든 인장력을 빌라리 효과 센서상에 작용하는 압축력으로 변환한다.
본 발명은 설계가 비교적 복잡하지 않고, 온도의 변화에 영향받지 않으며, 주기 조정을 필요로 하지 않고, 축 밖의 부하들에 의해 영향받지 않으며 극히 고도의 샘플링 비율로 인장 값들을 제공할 수 있는 인장 측정 시스템을 제공한다. 실예로, 본 발명은 부하 셀 기술(load cell technology)과 비교해 생산하는데 값싼 부가적인 장점을 또한 가진다. 본 발명의 다른 특징은, 차량 설계 필요 조건에 따라 좌석벨트 시스템의 여러 위치들에 센서를 배치시킬 수 있는 능력이다.
부가적으로, 본 발명에 의해 제공된 전기 출력은 충돌의 경우에 감속 비율을 결정하는데 사용될 수 있으며 유아 좌석의 존재를 판단하기 위해 좌석 가중 센서와 결합하여 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 한가지 목적은 차량 좌석에 유아 좌석 또는 성인이 아닌 다른 이들의 존재를 판단하기 위해 에어백 제어 시스템에 도입되어질 수 있는 좌석벨트 인장 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 견고한, 온도변화에 영향 받지 않는 좌석벨트 인장 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 더 다른 목적은 생산하는데 값싼 좌석벨트 인장 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 더 부가적인 목적은 설계 필요 조건에 따라 차량 좌석벨트 시스템내 여러 위치들에 배치될 수 있는 좌석벨트 인장 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 더 부가적인 목적은 아날로그 인장 표시를 승객 억제 제어 시스템에 제공하도록 빌라리 효과 센서를 채용하는 좌석벨트 인장 센서를 제공하는 것이다.
본 발명은 첨부된 도면들을 참고하여 하기 바람직한 실시예의 상세한 설명을 읽은 후에 더욱 완전히 이해될 것이다.
본 출원은 1998년 1월 2일 출원되어 본 발명과 함께 양도된 미국 가특허 출원 제 60/070,319호의 우선권 혜택을 청구한다.
본 출원은 1997년 11월 20일 출원된 미국 가특허 출원 제 60/067,071호의 우선권 혜택을 청구하여, "빌라리 효과 좌석 인장 센서"라는 명칭으로 1998년 11월 19일 출원된, 계류중인 미국 가특허 출원 제 09/196,093호에 관한 것으로서, 양 출원은 본 발명과 함께 양도됐다.
도 1은 본 발명에 따른 빌라리 효과 좌석벨트 인장 센서의 개략도.
도 2는 자동차 좌석벨트 시스템에서 본 발명의 좌석벨트 인장 센서의 가능한 배치도.
본 발명의 좌석 가중 센서는 특정 재료들의 자기 투자율이 그 재료들에 가해진 기계적 응력의 적용하에서 변하는 원리를 이용하여 작동된다. 이 원리는 빌라리 효과로 공지되어 있다.
좀 더 상세하게는, 빌라리 또는 "역 주울 자기 탄성(inverse Joule magnetoelastic)" 효과는 1800년대 중반에 주울 및 빌라리에 의해 발견되어 연구되었다. 빌라리 효과 현상은 강자성 물질들에서 발생되며 응력을 받을 때 그 물질의 자기 투자율이 변화함을 특징으로 한다. 즉, 빌라리 효과는 물질에 가해진 응력의 수준에 따라 물질을 자화하는 능력이다. 빌라리 효과는 자기 일그러짐 현상에 밀접하게 관련된다. 자기 일그러짐(magnetostriction)(종종 "주울 자기 일그러짐"이라 함)은 자화하에서 강자성 물질의 팽창 또는 수축의 특성을 부여한다. 양(positive) 자기 일그러짐 물질들은 자화될 때 자계의 방향에 평행하게 팽창되는데 반해, 음(negative) 자기 일그러짐 물질들은 자화될 때 자계에 평행한 방향으로 수축된다.
자기 일그러짐 특성들을 나타내는 물질들은 또한 빌라리 효과를 나타낼 것이다. 양 자기 일그러짐 계수를 보유한 물질들이 압축 응력을 받게될 때는 자기 투자율의 감소를 겪고, 인장 응력을 받을 때는 투자율의 증가를 나타낼 것이다. 그 반대 현상은 음 자기 일그러짐 물질들에서 발생되는데, 즉, 압축 응력이 가해질 때 투자율이 증가되며 인장 응력이 가해질 때 감소된다. 응력이 가해질 때 물질들의 투자율 또는 반응 자화의 이런 변화는 빌라리 효과에 관계된다.
실예로, 양 자기 일그러짐 물질들은 철, 바나듐 퍼맨더(vanadium permendur; 철 49%, 코발트 49%, 바나듐 2%) 또는 합금 계열의 퍼멀로이(permalloy; 니켈-철)를 포함한다. 터페놀-D(Terfenol-D)는 극도로 높은 양 자기 일그러짐을 가지도록 특별히 제조된 철, 테르븀(Terbium) 및 디스프로슘(Dysprosium)으로 구성되는 세라믹 물질로 되어 있다. 실예로, 니켈은 음 자기 일그러짐 계수를 가지는 물질로 구성된다. 금속 합금이 사용되는 경우, 물질은 공작물 경화 효과를 제거하고 감지 물질의 적절한 균일성을 보장하도록 적절하게 어닐링되어야 한다.
본 발명에 사용된 빌라리 효과 센서는 알려진 세기의 자계에 의해 투과된 양자기 물질로 구성된다. 물질 둘레에 배치된 감지 코일들은 물질을 통과하는 자계의 세기를 측정하기 위해 사용된다. 물질에 압축력이 가해질 경우, 물질내 자계의 세기가 변화되어, 감지 코일들을 통해 인가된 전압 또는 전류의 변화를 모니터하여 물질에 인가된 힘의 측정을 가능하게 한다.
본 발명의 좌석벨트 인장 센서는 압축력을 감지하기 위해 설치되어 이하 좀더 완전히 기술되는 것처럼, 인장 측정 빌라리 효과 센서에 응용될 수 있다. 처음에, 좌석벨트상에서 작용하는 압축력을 측정하도록 적절한 자기 일그러짐 물질이 선택되어야만 한다. 압축력을 측정할 때, 존재하는 압축력에서 투자율의 감소를 나타내도록 물질이 양 자기 일그러짐 계수를 가지는 것이 바람직하다. 자기 일그러짐 계수의 부호는 자기 투자율을 감소시키는 범위에서 센서가 작동되도록 선택된다. 일반적으로, 증가되는 힘에 따라 감소되는 투자율을 사용하는 센서는 힘이 가해짐에 따라 증가되는 투자율을 사용하는 센서보다 훨씬 더 큰 활성 범위를 가질 것이며 가해진 힘에 따라 좀더 선형적으로 변화하는 신호를 제공할 것이다.
본 기술 분야에 공지된 빌라리 효과 센서는 물질을 통해 교류 자계를 생성하는 교류 구동 전류가 가해지는 구동 코일로 감싸진 자기 일그러짐 물질로 구성되는 감지 봉으로 제조된다. 다수의 감지 코일들은 또한 자기 일그러짐 물질내에서 유도된 자속 도함수(derivative)에 비례하는 전압 또는 전류 출력 신호들을 제공하도록 물질 둘레에 감겨진다. 실예로, 출력 신호는 에어백의 전개를 방지하는 승객 억제 시스템의 제어와 관련된 다양한 기능들을 수행하도록 적절하게 프로그램된 제어 프로세서에 작동되게 결합된다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발라리 효과 좌석 벨트 인장 센서(10)는 센서 하우징(30)으로 한정된 센서실(32)내에 축방향으로 배치된 자기 일그러짐 센서봉(22)을 가지는 빌라리 효과 센서(20)를 포함한다. 센서 하우징(30)은 이하 더욱 설명되는, 내부에 다수의 인장봉 구멍(pull rod hole)(36)들을 가지는 제 1 단부(34)를 가진다. 센서봉(22)의 제 1 단부(24)는 센서 하우징(30)의 제 1 단부(34)에 접한다.
플런저(40)는 센서실(32)내에 배치되고 그 내부에서 축방향으로 활주 이동 가능하다. 스프링(50)은 플런저(40)와 센서봉(22)의 제 2 단부(26) 사이에서 센서봉(22)이 센서 하우징(30)의 제 1 단부(34) 쪽으로 편의(bias) 되도록 위치된다.
다수의 인장봉(60)들은 센서 하우징 구멍(36)들을 통해 센서실(32)로 연장되어 제 1 단부(62)에서 플런저(40)에 고정된다. 인장봉 구멍(36)들은 인장봉(60)이 인장봉 구멍들을 통해 자유 이동하게 허용하도록 형성된다. 각각의 인장봉(60)의 제 2 단부(64)는 센서 하우징(30)의 외부로 연장되어 나사, 용접 또는 기타 적절한 고정구들과 같은 통상적 수단들에 의해 인장봉 헤드(70)에 고정된다. 인장봉 헤드(70)는 센서(10)를 차량의 프레임에 고정시키기 위해 내부에 장착 볼트 구멍(72)을 가진다.
인장봉(60)들 및 이에 고정된 플런저(40)는 인장봉(60)들이 센서 하우징 구멍(36)들을 통해 연장되므로 센서실(32)내에서 축방향으로 이동하기에 자유롭다. 센서 하우징(30)에 좌석 벨트(80)를 고정하기 위해 제 1 단부(34) 맞은편의 내부에 좌석 벨트 구멍(orifice)(38)이 더욱 제공된다.
작동시에, 좌석 벨트(80) 인장이 증가함에 따라, 센서 하우징(30)이 인장봉 헤드(70) 반대편으로 당겨지므로서, 플런저(40)가 센서 하우징(30)내에서 축방향으로 강제 이동하도록 하여 빌라리 효과 센서(20)를 향해 스프링(50)을 압축시킨다. 좌석 벨트(80)상에 작용하는 모든 인장력은 빌라리 효과 센서봉(22)에 전달되어, 그 자기 투자율을 변화시킨다. 센서 하우징(30)내 플런저(40) 및 인장봉(60)들의 축방향 이동은 모든 좌석 벨트 인장이 마찰력에 의해 감쇄됨 없이 압축력으로 빌라리 효과 센서봉(22)에 가해지는 것을 보장한다. 센서봉(22)을 통과하는 자기 투자율이 변함에 따라, 빌라리 효과 센서(20)는 승객 억제 작동 시스템을 제어하는데 사용되는 제어 프로세서를 향해 센서봉상에 작용하는 압축력의 크기에 반응하는 출력(28)을 발생시킨다.
본 발명의 변형 실시예에 있어, 센서실(32)은 그 내부 한 지점에 배치된 내부로 연장되는 방사형 플랜지(90)를 가지는데, 이 점에서 플런저(40)는 센서봉 파손의 경우에 플랜지(90)와 접한다. 본 발명의 이런 특징은 센서 파손의 경우에 좌석 벨트(80)의 어떤 큰 거리의 이동을 방지하여 승객 안전을 향상시킨다.
도 2에 도시된 바와같이, 빌라리 효과 좌석 벨트 인장 센서(10)는 설계 요구조건에 따라 통상적 좌석 벨트 시스템의 다수의 위치들에 위치될 수 있으며 현재 승객 억제 시스템들에 대해 개장될 수 있다.
특정 실시예들이 상세하게 설명됐을지라도, 당업자들은 이들 상세한 설명들에 대한 다양한 수정 및 변형이 모든 개시된 연구들에 비추어 개발될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 개시된 특정 배치들이 예시적으로만 의도된 것이지 본 발명의 범위에 대해서 제한하지 않으며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항들과 모든 그것에 상응하는 전 범위들에 해당될 것이다.

Claims (6)

  1. 좌석벨트 인장 센서에 있어서,
    내부의 센서실, 내부의 다수 인장봉 구멍을 갖는 제 1단부, 및 상기 좌석 벨트의 수용을 위하여 제 1 단부 맞은편의 좌석 벨트 구멍을 가지는 센서 하우징;
    센서실내에 배치된, 축방향 이동 가능 플런저;
    제 1 단부에서 상기 플런저에 고정되고 제 2 단부의 내부에 장착 구멍을 가지는 인장봉 헤드에 고정되며 상기 센서 하우징의 인장봉 구멍들을 통해 연장되는 다수의 인장봉들;
    상기 센서 하우징의 제 1 단부와 접하는 제 1 단부를 가지는, 센서실내에 축방향으로 배치된 빌라리 효과 센서; 및
    상기 빌라리 효과 센서 및 상기 플런저 사이에 배치되어 상기 센서 하우징의 제 1 단부를 향해 상기 빌라리 효과 센서를 편의시키는 스프링
    을 포함하는 좌석 벨트 인장 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 센서 하우징은 하우징내에 배치된 내부로 연장되는 방사형 플랜지를 더 포함하여 상기 빌라리 효과 센서 파손의 경우에 상기 플런저가 상기 방사형 플랜지를 지나 이동하는 것이 방지되는 좌석벨트 인장 센서.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 빌라리 효과 센서가 빌라리 효과 센서상에 작용하는 압축력에 반응하는 출력을 발생시키는 좌석벨트 인장 센서.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 빌라리 효과 센서봉이 양 자기 일그러짐 계수를 가지는 자기 일그러짐 물질로 구성되는 좌석벨트 인장 센서.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 빌라리 효과 센서가 발라리 효과 센서상에 작용하는 압축력에 반응하는 출력을 발생시키는 좌석벨트 인장 센서.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 빌라리 효과 센서봉이 양 자기 일그러짐 계수를 가지는 자기 일그러짐 물질로 구성되는 좌석벨트 인장 센서.
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