KR20010073087A - 힘센서 조립체 - Google Patents

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KR20010073087A
KR20010073087A KR1020017002722A KR20017002722A KR20010073087A KR 20010073087 A KR20010073087 A KR 20010073087A KR 1020017002722 A KR1020017002722 A KR 1020017002722A KR 20017002722 A KR20017002722 A KR 20017002722A KR 20010073087 A KR20010073087 A KR 20010073087A
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cylindrical cavity
cavity
pressure
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파텔바이항씨
쑤엔토르본
헨니넨요우니케이
쿠이스마헤이키티
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드레이어 론니 알
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Abstract

힘센서 조립체(20)는 액체 또는 겔(53)로 충전된 밀봉된 본체(34)를 갖는다. 지지된 집적 회로(66)를 갖는 압력 변환기는 액체 또는 겔의 압력에 응답하게 위치된다. 본체내에서 운동하는 피스톤에 의해 겔을 통하여 하중이 압력 변환기에 가해진다. 그에 의해 압축 하중이 전달되고 센서와 그의 지지부 전자장치에 압력을 가하게되어, 저가의 정밀하고 내구성이 있는 센서가 만들어진다. 센서는 수 백 파운드의 하중 보다 상대적으로 적은 하중에서 잘 기능한다.

Description

힘센서 조립체{FORCE SENSOR ASSEMBLY}
자동차의 탑승자의 무게를 결정함으로써 자동차내의 특정한 좌석의 탑승자 무게가 에어백을 돌출시키는 방법을 결정하는 에어백 로직 시스템에 대한 일 변수로서 사용된다. 자동차 좌석 탑승자의 무게를 결정하는 일 방법은 좌석 쿠션과 좌석 프레임 또는 다른 좌석 구조체 사이의 하중 경로에 힘센서 조립체를 설치하는 것이다. 압전 센서(piezoelectric sensor) 또는 스트레인 게이지(strain gauge)를 사용하는 힘센서 조립체가 주지되어 있다. 그러나, 자동차용 하중 센서는 독특한 필요조건을 갖는다. 첫째로, 전형적인 힘센서 조립체 형태와 비교하여 측정되는 하중은 비교적 낮다. 둘째로, 센서는 조정 또는 보수작업 없이 10년 또는 그 이상의 오랜 기간 동안 작동해야 한다. 센서는 저가이어야 하나, 높은 신뢰성 및 합당한 감도를 달성해야 한다.
실리콘 계 마이크로 기계가공 압력 센서가 공지되어 있으며 압력 센서를 감시하고 교정(calibrate)하는 회로에 용이하게 통합될 수 있다. 그러한 실리콘 계 센서는 저가일 수 있으며 오랜 기간 동안 또한 자동차 내부가 처하는 극한적인 환경에서 작동하기 위해 필요한 자체 교정 및 검사 기능을 가질 수 있다. 그럼에도 불구하고, 자동차 좌석의 하중 경로에 위치될 수 있고 탑승자의 무게를 측정하도록 사용될 수 있는 패키지내로 그러한 센서를 통합시키는 것은 곤란한 문제를 발생시킨다.
저가이고, 내구성이 있으며, 자체 검사 및 교정 기능이 있는 자동차 탑승자의 무게 측정용 힘센서 조립체가 요구된다. 그러한 센서가 첨부된 청구범위 제 1 항에 개시된다.
본 발명은 일반적으로 힘센서 조립체 및 압력 변환기에 관한 것으로, 특히 자동차에서의 좌석 탑승자의 무게를 결정하는데 사용되는 센서에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 힘센서 조립체의 단면도,
도 2는 도 1의 힘센서 조립체의 사시도,
도 3은 도 1의 힘센서 조립체의 분해 사시도,
도 4는 본 발명의 힘센서 조립체의 변형 실시예의 단면도,
도 5는 도 4의 힘센서 조립체의 분해 사시도,
도 6은 도 1의 힘센서 조립체의 다른 실시예의 단면도,
도 7은 도 6의 힘센서 조립체의 분해 사시도,
도 8은 탑승자의 무게를 측정하기 위해 도 1의 힘센서 조립체를 사용한 자동차 좌석의 단면도.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 유사한 부품에 동일한 참조부호가 부여되며, 도 1에 힘센서 조립체(20)가 도시되어 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 힘센서 조립체(20)는 자동차 좌석(22)내에 설치된다. 좌석에는 스프링 베드(spring bed)(30)상에 지지된 내부 폼 쿠션(inner foam cushion)(28)위로 연장되는 커버(26)가 있는 쿠션(24)이 있다. 스프링 베드는 4개의 힘센서 조립체(20)에 의해 좌석 팬(seat pan)(32)상에 지지되도록 장착된다. 좌석 팬(32)은 자동차(도시되지 않음)에 조립될 수 있는 좌석 프레임(33)에 볼트로 고정된다. 좌석 쿠션(24)상의 탑승자의 무게로 인해 발생되는 실질적으로 모든 하중은 미국 특허 제 5,810,392 호에 보다 상세히 기재된 바와 같이 4개의 힘센서 조립체(20)를 통해 좌석 팬(32)에 전달된다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 힘센서 조립체(20)는 힘센서 조립체를 좌석 팬에 조립할 때 사용되는 플랜지(36)가 있는 금속 본체(34)를 갖는다. 힘센서 조립체 본체의 기부(40) 근처의 원주방향 그루브(38)는 힘센서 조립체를 유지하고 고정하도록 원주방향 그루브(38)와 결합하는 맞물림 연결부를 제공한다. 플랜지(36)의 내측으로 본체(34)내에 형성된 공동(44)내에 금속 플런저(plunger)(42)가 위치된다. 금속 플런저(42)는 공동(44)을 가로질러 연장되는 다이어프램(diaphragm)으로서 작용하는 변형가능한 탄성중합체 시일(46)(고무가 바람직함)에 접합된다. 다이어프램으로서 기능하는 탄성중합체 시일은 공동(44)의 내부상에 형성된 원주방향 그루브(48)에 끼워지는 탄성중합체 시일의 외주부에 의해 본체(34)에 대해 적소에 고정된다. 본체부(34)에는 원통형 공동(44)을 가로질러 연장되는 디스크(50)가 형성된다. 디스크(50)와 고무 시일(46) 사이에 저장소(52)가 형성된다. 액체와 유사한 기능을 하는 실리콘 겔(53)로 저장소는 충전되는데, 이는 겔(53)이 압력만 전달하고 전단력을 전달하지 않으며 본질적으로 비압축성 유체이기 때문이다. 변형가능한 탄성중합체 시일은 겔의 누설과 겔과 플런저의 직접적인 접촉을 방지한다.
미국 특허 제 4,609,966 호에 개시된 일반적 유형의 마이크로 기계가공 압력 센서(54)가 디스크(50)의 상부 표면(56)에 장착된다. 마이크로 기계가공 압력 변환기는 마이크로 센서를 제조하기 위해 집적 회로의 대량 생산용으로 개발된 기술을 사용한다. 이러한 기술로 고정밀 센서의 반복적인 제조가 가능하다. 또한, 마이크로 센서가 형성되는 기판상에 일부 전자 장치를 제조하는 것이 가능하며 때로는 바람직하다. 미국 특허 제 4,609,966 호에 제안된 바와 같이 함께 제조된 전자장치가 센서의 출력을 증폭하거나 처리한다. 가요성 막과 진공 공동 사이에 생성된 축전기(capacitor)에 의해 압력 변환기를 성형하는 것이 압력 측정에 대한 효과적인 방법으로 판명되었다.
예를 들어, 단일 하중 변환기(20)에 대한 최대 하중이 약 91㎏이고 플런저(42)가 약 100㎟의 기본 면적(base area)을 갖는다면, 겔(53)내의 압력은 약 91㎏s/㎠이 될 것이다. 전형적인 마이크로 변환기는 약 0.01 내지 1㎟의 면적을 가지며 따라서 힘센서 조립체(20)는 91㎏의 하중을 실제로 측정되는 91 내지 9gms의 하중으로 변환한다. 좌석 탑승자에 의해 발생된 큰 실제 하중을 취하여 하중을 측정하는데 비용 및 신뢰성 면에서 장점적인 집적 회로 기술이 사용될 수 있는 레벨로 그것을 줄이는 것이 힘센서 조립체의 주된 기능이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 다수의 리드(lead)(60)가 디스크의 원주방향 에지 주위에서 디스크(50)를 관통하는 구멍(62)을 통해 연장된다. 디스크와 리드 사이에 기밀성 단열 글래스 시일(hermetic insulation glass seal)(64)이 형성된다. 집적 회로(66)는 또한 디스크(50)의 상부 표면(56)에 접합된다. 집적 회로를 그 들의 회로 패키지에 연결하기 위해 개발된 금선 용착(gold wire bonding) 기술이 마이크로 기계가공 압력 센서(54)를 집적 회로(66)에 연결시키고 압력 센서(54)와 집적 회로를 리드(60)에 연결시키기 위해 사용된다. 집적 회로는 다수의 기능을 수행할 수 있다. 집적 회로는 감지된 정전용량(capacitance) 출력을 전압 신호로 변환시키고 센서의 '0' 지점 및 축척 계수를 조정하는 수단을 제공한다. 집적 회로는 고정되거나 조정가능한 전압의 직선화처리(linearization)를 제공함으로써 센서의 비 선형성을 보상할 수 있다. 제어 로직과 삽입된 알고리즘 및 온도 보상 또한 집적 회로에 의해 제공될 수 있다. 집적 회로는 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter)와 합체될 수 있으며, 집적 회로에 의해 디지털 수치가 전송될 수 있거나 또는 집적 회로는 순람표(look-up table) 또는 알고리즘을 사용하여 데이터를 단순히 처리할 수 있고 안정성 시스템 제어기(도시되지 않음)에 워드(word)를 전송할 수 있다. 집적 회로는 또한 회로를 개방 또는 폐쇄함으로써 진행(go)과, 비 진행(no-go) 기준을 생성할 수 있다. 집적 회로(66)의 프로그램을 변경함으로써 단순한 힘센서 조립체가 다양한 범위의 적용에 사용될 수 있다. 집적 회로는 마이크로프로세서, 아날로그-디지털 변환기, 온도 센서,EEPROM, ROM 및 다른 장치와 합체될 수 있다.
하중 센서 본체(34)는 스크루 머신 또는 금속 사출 성형(metal injected molded: MIM) 부품(전형적으로 스테인리스강으로 제조됨)으로서 구성된다. 그 후 리드가 위치되고 리드와 디스크(50) 사이에 글래스가 용해된다. 그 후 집적 회로(66)와 센서(54)는 디스크(50)의 상부 표면에 접합된다. 그 후 금선 용착이 집적 회로 및 센서를 서로간에 또한 리드에 연결시키기 위해 사용된다. 그 후 실리콘 겔(53)이 분배되고 적소에 경화된다. 고무 시일(46)은 탄성중합체 물질을 분배하고 그것을 적소에 경화시킴으로써 형성되거나 또는 변형예로서, 기성형된 다이어프램이 대신 사용될 수 있다. 마지막으로, 금속 플런저(42)가 고무 시일(46)에 접합된다. 플런저(42)와 원통형 공동(44) 사이에 형성된 작은 갭은 플런저가 고무 시일(46)에 대하여 아래쪽으로 자유롭게 움직이게 한다. 고무 시일은 부드러운 탄성중합체 재료로 형성되므로 이것을 플런저에 가해지는 하중의 상당한 부분을 지지하지 않는다. 원주방향 그루브(48)는 시일(46)을 형성하는 고무로 충전되고 그에 의해 디스크(50)와 고무 시일(46) 사이에 형성된 저장소(52)에 대한 완전한 밀봉을 제공한다.
압축되는 고무 시일(46)과 실리콘 겔(53)의 제한된 용량으로 인해 플런저(42)는 거의 편향되지 않는다. 구조적 강성과 좌석의 안락함의 관점에 있어서 힘센서 조립체의 이러한 강성은 힘센서 조립체를 자동차 좌석에 합체시키는 영향을 최소화한다.
변형 실시예에 있어서, 도 4 및 도 5에 도시된 힘센서 조립체는 내부로 돌출된 립(lip)(72)에 의해 힘센서 조립체 본체(70)의 공동(73)내에 확실하게 유지된 플런저(71)를 갖는다. 도 8에 도시된 바와 같이, 외부로 돌출된 플랜지(74)는 좌석 팬(32)과 결합한다.
모자 형상의 탄성중합체 실리콘 개스킷(76)이 포획된 플런저(71) 밑에 위치되며 본체(70)의 그루브(80))내에 끼워지는 주변 플랜지(78)(모자 형상 시일의 테두리)를 갖는다. 탄성 실리콘 개스킷은 플런저와 겔 사이에 개재된 다이어프램으로서 기능하며 겔상에서 자유로이 부유하지 못하도록 본체에 대해 적소에 고정된다. 주변 플랜지(78)는 디스크 형상의 인쇄 회로 기판(printed circuit board)(84)과 결합하고 또한 플런저와 겔의 직접적인 접촉을 방지하는 밀봉 표면(82)을 제공한다. 전기 리드(86)는 인쇄 회로 기판(84)을 통해 연장되며, 종래의 방식(전형적으로 땜납임)으로 접합된다.
압력 센서(88)와 집적 회로(90)는 인쇄 회로 기판(84)상에 장착된다. 기판(84)내의 표면 장착 기술과 회로 궤적은 집적 회로(90)와 압력 센서(88)를 리드(86)에 연결하기 위해 사용된다. 변형예로서, 도 1의 힘센서 조립체(20)에 대해 설명된 바와 같은 금선 용착이 사용될 수도 있다.
회로 기판(84)은 링(92)에 의해 밀봉 표면에 대해 압축되게 고정된다. 링은 슬롯(94)을 가지며 그에 의해 실리콘 개스킷(76)의 주변 플랜지(78)와 결합하는 그루브(80)보다 약간 작은 직경을 갖는 내부 본체 그루브(96)내에 링이 압축되고 끼워진다. 소정양의 실리콘 겔(98)이 회로 기판과 실리콘 개스킷(76) 사이에 생성된 공동을 충전한다. 힘센서 조립체(68)의 기능과 능력은 힘센서 조립체(20)와 동일하다. 조립 도중, 플런저(71)는 공동(73)내로 삽입되고, 개스킷(76)은 플런저(71)에 대해 위치되고 겔(98)로 충전되며, 그 후 센서(88), 집적 회로(90) 및 리드(86)를 갖는 회로 기판(84) 조립체는 공동내에 위치되고 링에 의해 유지된다.
도 6 및 도 7에 다른 하나의 변형 실시예의 힘센서 조립체가 도시되어 있다. 힘센서 조립체(100)는 내부 금속 디스크(106)에 의해 종결되는 중앙 원통형 공동(104)을 갖는 견고한 몸체(102)(금속이 바람직함)를 갖는다. 금속 디스크(106)는 도 1의 디스크(50)와 유사하다. 압력 센서(108)와 집적 회로(110)는 디스크(106)의 상부 표면에 장착된다. 전기 리드(114)는 힘센서 조립체(20)에 사용된 것과 유사한 단열 글래스 시일(116)에 의해 장착된다. 공동(104)은 상부 립 표면(120)에 레이저 용접되는 금속 다이어프램(118)에 의해 밀폐되게 밀봉된다. 본체에 대하여 적소에 고정된 다이어프램의 에지가 다이어프램이 겔의 표면상에서 자유로이 부유하는 것을 방지하는 것이 본 발명의 힘센서 조립체의 구별되는 특징이다. 금속 다이어프램(118)은 원주방향 그루브(112)를 가져 압력 센서(108)를 향해 아래쪽으로 자유로이 굽어지는 다이어프램의 능력을 향상시킨다. 다이어프램의 하중이 작은 경우에는 원주방향 그루브는 필요하지 않을 수도 있다.
플런저(124)가 다이어프램(118) 위로 위치되어 플런저(124)에 가해지는 하중이 다이어프램(118)에 전달되게 한다. 다이어프램의 에지가 본체에 고정되므로 본 발명의 힘센서 조립체의 플런저는 겔과 직접 접촉할 수 없다. 플런저(124)는 플런저(124)를 다이어프램(118) 위로 위치시키는 유지 캡(124)에 의해 결합되는 플랜지(126)를 갖는다. 유지 캡(128)은 원형 구멍을 가지며 플런저(124)가 그 구멍을 통해 연장된다. 유지 캡(128)은 본체(102)에 의해 형성된 외부 원주 표면(132)과 동심원으로 위치되고 또한 그 위에 놓이는 원통형 슬리브 부분(130)을 갖는다. 외부 원주 표면(132)은 유지 캡(128)의 원통형 슬리브 부분(130)이 그 내로 끼워지는 원주방향 그루브(134)를 규정한다.
디스크(106)를 통해 연장되는 중공의 리드(136)는 실리콘 겔(138)이 다이어프램(118)과 디스크(106) 사이에 형성된 공동내로 진공 재충전되는 되게 한다. 진공 재충전은 중공의 리드(136)상에 진공 처리하고 촉매처리 되지만 경화되지 않은 실리콘 겔로 재충전함으로써 수행된다. 일단 압력 챔버가 거품과 공기가 들어가지 않은 실리콘 겔로 충전되면, 충전 튜브(136)는 접히고 납땜된다. 본체(102)의 외측에 형성된 립(140)은 좌석 팬(32)과 결합한다.
인쇄 회로 기판(84)은 종래의 구성일 수 있거나 기성형된 세라믹 기판으로 구성될 수도 있음이 이해되어야 한다.
전형적으로 집적 회로는 특별한 적용을 위해 설계된 집적 회로인 응용 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit: ASIC)인 것이 이해되어야 한다.
청구범위의 목적을 위해 변환기가 리드에 연결된 것으로 설명된 경우 이것은 그 자체가 리드에 연결되는 집적 회로와 같은 부가적인 장치를 통해 직접 또는 간접적으로 리드에 연결될 수 있음이 이해될 것이다.

Claims (6)

  1. 힘센서 조립체(20)에 있어서,
    제 1 단부상에 개방된 원통형 공동(40)을 규정하는 본체(34)로서, 상기 본체 부분은 원통형 공동을 가로질러 연장되고 원통형 공동의 하부를 형성하는 부재를 형성하며, 상기 부재의 부분은 상기 부재를 관통하여 연장되는 다수의 구멍(62)을 규정하는 상기 본체와,
    상기 다수의 구멍의 각각에 위치되는 전기적으로 전도되는 리드로서, 각각의 리드는 상기 부재로부터 전기적으로 절연되고 부재에 밀봉되는 상기 리드와,
    상기 다수의 리드(60)중의 적어도 하나에 전기적 연결되고 원통형 공동의 제 1 단부와 접하는 부재에 장착되는 압력 변환기와,
    상기 부재로부터 이격된 원주방향 그루브(38)를 규정하는 상기 본체의 부분과,
    원주방향 그루브에 충전되고 상기 본체, 부재 및 탄성중합체 부재에 의해 형성되는 밀봉된 공동을 생성하는 상기 탄성중합체 부재와,
    상기 밀봉된 공동을 충전하는 낮은 전단 계수를 가지며 실질적으로 비압축성인 소정양의 재료와,
    상기 탄성중합체 부재와 결합되고 원통형 공동을 따라 연장되는 하중 지지 부재를 포함하며, 상기 하중 지지 부재에 가해진 하중이 탄성 부재를 통해 전달되고 압력 센서(54)에 의해 측정될 수 있는 실질적으로 비압축성인 재료내에 압력을발생시키는
    힘센서 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 실질적으로 비압축성인 재료가 실리콘 겔(53)인
    힘센서 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 본체(34)가 금속으로 형성되고 상기 리드(60)가 리드를 상기 본체에 밀봉시키는 소정양의 글래스에 의해 상기 금속 본체로부터 절연되는
    힘센서 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 원통형 공동(40)의 제 1 단부와 접하는 상기 부재에 장착되고, 상기 압력 변환기에 전기적으로 연결되는 집적 회로(66)를 더 포함하는,
    힘센서 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력 변환기가 마이크로 기계가공 압력 변환기인
    힘센서 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 본체는 형태에 있어서 원통형이고 상기 공동(40)은 상기 본체와 동축으로 연장되며 상기 부재가 상기 원통형 공동을 가로질러 연장되는 디스크(50)인
    힘센서 조립체.
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