KR20090006107A - 무선 마이크로 및 나노 센서 시스템을 구비한 탄성중합성 물품 - Google Patents

무선 마이크로 및 나노 센서 시스템을 구비한 탄성중합성 물품 Download PDF

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브리지스톤 /파이어스톤 노스 어메리칸 타이어, 엘엘씨
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Abstract

탄성중합성 물품으로부터 데이터를 얻기 위한 센서 시스템은 적어도 하나의 무선 센서를 포함한다. 센서 길이-스케일은 물품 내에 폐색되는 것을 피하기에 충분히 작은 나노 내지 마이크로 스케일 장치의 범위이다. 물품은 물품의 재료, 물품 내에 설치된 센서의 층 및 구성요소 내에 배치된 또는 물품의 구성요소 내에 매설된 센서의 스트링 중 하나 내에 매설된 센서를 포함한다. 센서는 온도, 압력, 측벽 굴곡, 응력, 변형 및 기타 파라미터 중 하나 이상에 관련된 데이터를 제공하도록 구성될 수 있다. 센서는 타이어의 동작 동안 데이터를 감지하기에 적합한 LCD 센서 및/또는 전도성 폴리머 센서 및/또는 바이오-폴리머 센서 및/또는 폴리머 다이오드일 수 있다. 타이어에 의해 발생된 에너지를 사용하는 전력 회로가 센서에 전력을 제공할 수 있다.

Description

무선 마이크로 및 나노 센서 시스템을 구비한 탄성중합성 물품 {ELASTOMERIC ARTICLE WITH WIRELESS MICRO AND NANO SENSOR SYSTEM}
관련 출원에 대한 참조
본 출원은 그 전문이 참조로 본 명세서에 통합되어 있는 2006년 4월 25일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제 60/794,605호의 이득을 주장한다.
기술 분야
본 발명의 예시적 실시예는 통합된 센서 시스템을 구비한 탄성중합성 물품에 관한 것이다. 이는 특히, 매설된 센서로 탄성 중합성 물품의 물리적 및 공학적 물성을 감시하는 것에 관련하여 특정 용례를 찾을 수 있으며, 특히, 차량 타이어를 참조로 설명될 것이다. 그러나, 본 예시적 실시예는 또한 일을 수행할 수 있는 탄성중합성 물품 같은 다른 탄성중합성 물품을 위한 파라미터를 감시하는 것을 포함하는 다른 용례에도 적용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
공기 스프링 및 차량 타이어 같은 탄성중합성 물품은 사용 동안 광범위한 내력 및 외력을 받는 경우가 많다. 점탄성 재료에 의해 수행된 일의 결과는 열로 소실된 유용한 일의 척도로서의 열역학적 양인 온도에 의해 표시될 수 있다. 타이어는 다양한 부하 및 내부 압력에서의 동작 윈도우 내의 반복된 내력 및 외력과 결과 적인 온도를 견디도록 설계되어 있다. 탄성중합성 물품이 이 동작 윈도우를 초과하는 상태를 겪을 때, 물품의 성능이 단축될 수 있다. 예로서, 몇몇 상황에서, 부적합하게 사용되는 차량 타이어는 사용 동안(예를 들어, 반복된 주기적 변형) 과도한 전단력을 받는 구성요소를 포함할 수 있다. 이들 내력은 타이어의 내부 온도를 상승시키는 열을 발생시킨다. 과열된 타이어 구성요소는 결국 파괴되고 타이어 성능을 변화시킬 수 있다. 그 동작 조건을 위해 필요한 압력으로 적합하게 팽창되지 않은 타이어도 과열될 수 있으며, 궁극적으로, 그 동작 수명을 감소시킬 수 있는 열 관련 마모를 받을 수 있다. 광산 작업에서의 석탄 수송 또는 공공 고속도로상에서의 화물 운송 같은 작업 임무를 수행하는 것에 차량이 관련되어 있는 특정 경우에, 감소된 타이어 수명의 영향은 작업 임무에 부정적 영향을 주어 생산성의 손실 및 증가된 운영 비용을 유발할 수 있다.
또한, 오늘날의 차량은 액티브 관리형 현가 및 제동 시스템을 포함한다. 이들 시스템은 타이어와 노면 사이의 관계에 대한 데이터를 추론 또는 추정한다. 차량 제조업자들은 차량 동작을 능동적으로 관리하기 위해 이들 데이터가 사용될 수 있도록 타이어로부터 측정가능한 실시간 공학 데이터를 얻기 위한 시스템을 원한다.
따라서, 타이어 및 그 구성요소의 상태에 관한 유용한 정보를 제공하도록 응력 및 변형, 온도, 진동 및 기타 조건을 포함하는 힘 같은 타이어 및 타이어 구성요소가 받는 파라미터를 감지하는 것이 바람직하다.
본 발명은 물품에 연결된 또는 물품 내에 배치된 센서로부터 탄성 중합성 물품으로부터 데이터를 얻기 위한 센서 시스템을 제공한다. 센서 시스템은 무선 통신을 통해 데이터를 획득한다. 센서는 마이크로-스케일 또는 나노-스케일 센서이며, 이들은 물품 내에 매설되기에 충분히 작다. 이런 센서는 탄성중합성 재료 내에 폐색되는 것을 피하도록 충분히 작아지도록 탄성중합성 재료와 조합하여 구성될 수 있다.
일 구성에서, 본 발명은 물품 내에 매설된 적어도 하나 또는 복수의 센서를 구비한 탄성중합성 물품을 제공한다. 센서 또는 센서들의 크기는 마이크로 또는 나노 단위이다. 적어도 복수의 센서가 물품의 물성 데이터 또는 공학적 상태 데이터를 제공하도록 판독기에 무선 신호를 제공하도록 구성된다. 일 구성은 물품 구성요소의 재료 전반에 매설된 복수의 센서를 제공한다. 다른 구성은 물품 내에 설치된 센서층 내의 센서를 제공한다. 다른 구성은 물품의 재료 내에 매설된 스트링형 복수의 센서를 사용한다.
다른 구성에서, 본 발명은 타이어 내에 매설된 복수의 센서를 구비한 타이어를 제공한다. 타이어는 고체 타이어, 공압 타이어 또는 무공기 타이어일 수 있다. 센서는 크기가 마이크로-스케일 및 나노-스케일이다. 적어도 복수의 센서는 타이어의 물성 데이터 또는 공학적 상태 데이터를 제공하도록 판독기에 무선 신호를 제공하도록 구성된다. 일 구성은 타이어 구성요소의 재료 전반에 걸쳐 매설된 복수의 센서를 제공한다. 다른 구성은 타이어 내에 설치된 센서층 내의 센서를 제공한다. 다른 구성은 타이어 구성요소 내에 매설된 또는 그 일부로서 제공된 스트링형 복수의 센서를 사용한다.
다른 구성에서, 본 발명은 임계치에 도달시 그 구조가 변하도록 구성된 복수의 센서를 구비하는 탄성중합성 물품을 제공한다. 일 실시예에서, 임계치는 온도에 기초한다. 다른 임계치는 응력, 변형 및 진동을 포함한다. 판독기는 센서 구성의 변화시 변화를 관찰하도록 프로그램된다. 센서 구조의 예시적 변화는 센서가 전송 주파수를 활성화, 비활성화, 변화시키거나 전송간의 시간을 변화시키는 것을 포함한다. 물품의 예시적 실시예는 타이어이며, 보다 특정하게는 공압 타이어이다.
본 발명의 다른 구성은 탄성중합성 물품 자체에 의해 발생되는 에너지로부터 센서를 위한 전력을 생성하는 전력 회로를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 감시 시스템을 예시하는 도식적 블록도.
도 1A는 현가 시스템에 데이터를 제공하기 위해 본 발명의 감시 시스템을 포함하는 액티브 현가 시스템을 구비한 차량을 도시하는 도면.
도 2는 벨트 단부에 배치된 복수의 센서를 구비하는 타이어의 일부의 확대 단면도.
도 3은 예시적 타이어 구성 재료 내에 매설된 복수의 센서를 구비한 타이어의 일부의 확대 단면도.
도 4는 내부라이너와 몸체 플라이 중간에 배치된 센서층을 구비하는 타이어의 일부의 확대 단면도.
도 5는 몸체 플라이와 벨트 패키지 중간에 배치된 센서층을 구비한 타이어의 일부의 확대 단면도.
명세서 전반에 걸쳐 유사 번호는 유사 부분을 지시한다. 도면은 개략적이고 도식적인 표현이다. 도면은 실척대로가 아니며, 도면을 위해 선택된 교차선 음영부는 재료를 한정하기 위한 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 타이어(102)를 위한 원격 감지 시스템이 일반적으로 100으로 도시되어 있다. 감지 시스템(100)은 온도, 압력, 공압, 응력, 변형, 진동, 화학적 성질, 등을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는 다양한 파라미터를 감지하기 위해 타이어(102) 내에 부착 및/또는 매설된 하나 이상의 무선 센서(104)를 포함한다. 감지 시스템은 타이어 트레드 마모, 압력, 타이어 온도 및 측벽 굴곡을 포함하지만 이에 한정되지는 않는 물성 또는 특성을 감시하기 위해 유용한 데이터를 획득한다. 융기, 천공, 파괴된 쓰레드 또는 코드 같은 타이어(102) 내의 비균일성도 감시 및/또는 발견될 수 있다. 이 방식으로 불규칙 트레드 마모 또는 접지면적 변화에 기인한 차량 현가 비정상성 같은 다른 불규칙성도 이 방식으로 결정될 수 있다.
비록, 여기에 설명된 예가 공압 차량 타이어에 관한 것이지만, 다른 타이어-무공기 및 고체 타이어 같은- 및 공기 스프링, 컨베이어 벨트, 루핑(roofing) 재료, 스포츠 용품 등을 포함하는 기타 탄성중합성 물품도 유사한 구조 및 구현예의 감지 시스템을 사용하여 감시될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
무선 센서(104)는 센서로부터 원격 배치된 판독기 또는 데이터 취득 회로라고도 알려져 있는 데이터 수집 장치(106)에 감지된 데이터를 제공한다. 데이터 수 집 장치(106)는 타이어(102) 내에 또는 타이어 상에, 차량 내에 또는 차량 상에, 또는 테스트 스탠드 설비 내부 같이 양자 모두로부터 떨어져서 장착될 수 있다. 무선 센서(104)는 무선 방식으로 데이터 수집 장치(106)에 의해 판독될 수 있는 전자기 센서 신호의 형태로 데이터를 제공하며, 그에 의해, 그들 사이의 물리적 연결에 대한 필요성을 피한다. 112로 도시된 센서(104)와 수집 장치(106) 사이의 무선 통신은 타이어 내에 센서를 매설하거나 타이어에 센서를 장착할 때 현저한 정도의 융통성을 제공한다.
데이터 수집 장치(106)는 예로서, 더 상세히 후술될 바와 같은 라디오 웨이브 전송 같은 전자기 방사선의 형태로 감지된 데이터를 수신하기 위한 안테나(108)를 포함할 수 있다. 단일 수집 장치(106) 또는 복수의 수집 장치가 무선 센서(104)에 의해 감지된 데이터를 수집하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 중계 메커니즘이 사용될 수 있으며, 중계 메커니즘은 물품으로부터 데이터를 주집하고 수집 장치(106)에 데이터를 중계한다. 복수의 중계장치가 사용될 수 있다. 일 구조에서, 중계장치는 휠 내에 또는 휠 부근에 배치되고, 수집 장치는 고정된 위치에 배치되거나 차량에 의해 지지된다.
데이터 프로세서(110)는 감시되는 타이어 물성에 대한 정보를 합성하기 위해 감지된 데이터를 처리하도록 데이터 수집 장치(106)에 연결될 수 있다. 데이터 프로세서(110)는 전용 프로세서, 퍼스널 컴퓨터나 랩톱 같은 종래의 컴퓨터 또는 무선 센서로부터 얻어진 신호를 수집 및 처리하기 위한 다른 공지된 전자 장치를 포함하지만 이에 한정되지는 않는 연산 장치일 수 있다. 하나 이상의 수집 장치(106) 가 하나 이상의 중앙 처리 장치(110)로부터 이격 배치되거나, 그와 함께 통합될 수 있다.
데이터 수집 장치(106) 및 데이터 프로세서(110)는 필요시 실시간으로 차량 또는 타이어에 대한 감지된 데이터 및 처리된 결정을 제공하기 위해 차량 내에 또는 차량 상에 배치될 수 있다. 대안적으로, 이들 장치(106, 110)를 포함하는 테스트 스탠드가 타이어 테스팅 동안 이 데이터를 제공하도록 구성될 수 있다.
센서(104)는 LCD 센서, 전도성 폴리머 센서 또는 바이오-폴리머 센서 같은 비-실리콘 기반일 수 있다. 또한, 센서(104)는 저주파수로 데이터를 제공하는 장점을 갖는 폴리머 다이오드일 수 있다. 저주파수는 센서 출력이 더 두꺼운 매체를 통해 이동할 수 있게 하며, 이 때문에, 이들 유형의 센서는 여전히 원격 검출될 수 있는 사용가능한 데이터를 제공하면서 타이어 내에 더 깊이 매설되는 것 같이 더 큰 범위의 타이어 재료에 걸쳐 매설될 수 있다. 또한, 무선 센서(104)는 하나 이상의 적절한 데이터 수집 장치에 그 감지된 데이터를 제공하는 라디오 주파수 식별(RFID) 장치일 수 있다. 이런 RFID 장치는 타이어(102) 내에 많은 수로 통합되기에 충분히 작은 크기로 제조된다. 따라서, 타이어의 광범위한 영역으로부터 피드백을 제공하도록 많은 수의 RFID 장치가 타이어 몸체 내에 통합될 수 있다.
재료 또는 구성요소로 센서(104)가 매설될 때, 각 센서(104)는 매설된 위치에서 폐색되는 것을 피하도록 충분히 작다. 폐색은 주변 탄성중합체와 유사한 물리적 특성을 갖지 않는 탄성중합체 내에 매설된 이물질이다. 폐색은 탄성중합체의 부적절한 성능을 초래한다. 센서(104)는 센서 주변 재료의 물성과 센서의 물성에 의 존하는 폐색을 피하도록 마이크로 및 나노-스케일일 수 있다. 일 예에서, 각 센서는 20 미크론 보다 크지 않다. 센서가 배치되는 위치에 따라 개별 센서의 다른 크기는 수십 내지 수백 제곱 밀리미터의 크기로부터 아래로는 카본 블랙의 것과 유사한 더 작은 크기 내지 현미경 범위의 매우 더 작은 크기까지의 범위일 수 있다.
무선 센서(104)는 통상적으로 RFID 태그로 공지되어 있는 바와 같이 센서(104)의 “식별”이나 “수신확인”을 넘어선 기능을 포함할 수 있다. 무선 센서(104)는 또한 온도, 압력, 공압, 응력, 변형, 진동, 화학적 성질 등 같은 파라미터를 샘플링 및/또는 측정할 수 있다. 이 데이터는 타이어 몸체에 대한 정보를 생성하기 위해 데이터 수집 장치(106) 및 데이터 프로세서(110)에 의해 사용될 수 있다. 데이터가 실시간으로 얻어질 때, 생성된 정보는 차량의 현가장치를 위한 제어기와의 피드백 루프의 일부로서 사용될 수 있다. 도 1A는 액티브 현가장치를 구비한 차량을 도시한다. 현가장치 제어부는 판독기(106) 또는 프로세서(110)로부터 정보 또는 데이터를 수신하고 이 정보를 현가장치를 위한 제어 계산의 일부로서 사용한다. 이 데이터 및 정보는 타이어 이력을 생성하도록 시간에 걸쳐 저장될 수 있다. 타이어 이력 정보는 미래의 타이어의 디자인을 변경하기 위해 사용될 수 있다.
무선 센서(104)는 전원 및 능동적 송신기를 포함하지 않는 패시브 센서일 수 있다. 패시브 센서(104)는 데이터 수집 장치와 유도 결합될 수 있다. 센서(104)는 수집 장치 안테나(108)로부터 방출된 전자기파를 수신하는 하나 이상의 안테나를 형성하는 하나 이상의 전도성 요소(114)를 포함한다. 이 방사선은 전기로 변환되고, 이 전기는 센서를 형성하는 전자 장치에 동력을 공급하여 센서가 필요 데이터 를 감지하고, 이를 다시 수집 장치(106)에 전송하도록 할 수 있다.
또한, 패시브 센서(104)는 자유 공간으로 방사되는 센서로부터 반사된 전력을 사용하는 백스케터 커플링에 의해 데이터 수집 장치(106)와 결합될 수도 있다. 이 전력의 작은 부분이 센서(104)로부터 “후방 방향”으로 이동하는 수집 장치의 안테나(108)에 의해 픽업되고, 지향성 커플러를 사용하여 디커플링 및 데이터 수집 장치의 수신 입력부로 전송될 수 있다.
센서(104)는 타이어 자체에 의해 발생된 것들을 포함하는 다른 에너지 소스에 의해 동력이 공급될 수 있다. 시스템은 타이어, 그 장착 조립체 또는 다른 관련 부분에 의해 발생된 에너지로부터 하나 이상의 센서에 전력을 제공하기 위한 전기로 스캐빈징된 에너지를 사용하는 전력 회로를 포함할 수 있다. 예로서, 압전 회로 또는 카이네틱 파워 소스(Kinetic Power Source)와 같은 지멘스 테크놀로지(Siemens Technology) 또는 세이코로부터 입수할 수 있는 다른 공지된 에너지 스캐빈징 회로가 사용될 수 있으며, 이는 굴곡하는 측벽으로부터의 에너지를 센서에 공급하기 위해 전기 에너지로 변환한다. 다른 에너지 스캐빈징 또는 수거 장치는 엔오세안 게엠베하(EnOcean GmbH)에게 양도된 특허 공보에 개시되어 있다. 또한, 이 전기 에너지는 센서에 의해 취득된 감지된 데이터를 데이터 수집 장치(106)로 돌려보내기 위해 사용되는 센서(104)에 포함된 송신기 회로에 동력을 공급할 수 있다.
이 시스템(100)은 수집 장치(106)에 의해 결정된 반송파 주파수를 사용할 수 있다. 각각이 동시에 데이터를 제공하도록 센서들(104) 또는 센서의 서로 다른 부 류들 사이의 구별을 제공하기 위해 다른 반송파 주파수가 사용될 수 있다. 유사하게, 이런 동시 데이터 수집을 가능하게 하도록 다양한 공지된 변조 기술이 사용될 수도 있다. 또한, 무선 센서(104)는 통합된 전원을 포함하는 액티브 센서일 수 있다.
감지된 정보를 수집 장치(106)에 전송하기 위해 사용되는 대역폭은 킬로헤르쯔 내지 수백 킬로헤르쯔 같은 저주파수, 메가헤르쯔 범위의 고주파수, 수백 메가헤르쯔의 초고주파수 및 기가헤르쯔 범위의 마이크로파 주파수일 수 있다. 센서(104)로부터 판독기(106)로 데이터를 전송하기 위해 초 광대역 통신 기술이 사용될 수 있다.
센서(104)는 타이어 전반에 걸쳐, 타이어의 구성요소 전반에 걸쳐 또는 타이어의 특정 위치에 인접하게 분포된 복수의 센서를 사용함으로써 타이어의 물리적 구조를 감시하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 센서(104)는 계획적으로 배열되거나 무작위로 센서층에 의해 지지될 수도 있다. 이들 센서들은 어레이나 센서 메시를 형성할 수 있다. 센서 어레이는 2차원 어레이(폭 및 길이를 갖는 1 센서 두께) 또는 3차원 어레이(폭 및 길이를 갖는 다수의 센서 두께)일 수 있다. 메시 또는 어레이는 타이어 구성요소에 합치되도록 굴곡된 구조를 가질 수 있다. 센서층은 타이어 건조 프로세스에 통합될 수 있는 탄성중합성 또는 플라스틱 기판 상에 전도성 잉크를 사용하여 인쇄 기술에 의해 형성될 수 있다. 독립적 또는 관련 센서들의 전체 회로가 이런 기판 상에 인쇄될 수 있다. 부가적으로, 이들 회로를 생성하기 위해, 또는 타이어 내의 감지 요소 또는 안테나 구조체를 위해 전도성 폴리머가 사용될 수 있다. 센서층의 예는 도 4 및 도 5에 도시되어 있다. 층은 연속적일 수 있거나, 분리된 패치의 조합일 수 있다. 층은 인접 재료가 층을 통해 서로 접촉할 수 있게 하는 복수의 개구를 형성할 수 있다. 층의 각 표면은 텍스쳐 형성되거나 높낮이를 가질 수 있다. 타이어 둘레의 반경방향 또는 원주방향 밴드 형상 층으로 센서를 배치하는 것이 바람직할 수 있다. 반경방향 U-형상 섹션은 타이어 측벽의 감시를 위해 유용하다. 밴드 형상 층은 감시에 바람직한 타이어의 영역{벨트 에지(144)와 같은}에 인접 배치될 수 있다.
각 센서로부터 방출된 감지된 신호의 상대적 강도를 얻기 위해 반복적으로 무선 센서를 샘플링함으로써, 타이어 구조의 맵이 생성될 수 있다. 이 맵은 타이어가 사용되기 시작할 때 생성 및 저장된 타이어의 초기 맵에 비교될 수 있다. 이 초기 맵은 타이어 내의 RFID 칩 상에 배치된 고유 타이어 식별 번호를 참조로 저장되거나 센서에 저장될 수 있다. 맵의 하나 이상의 영역으로부터의 데이터 또는 신호 강도의 변화는 타이어의 특정 위치의 변화를 나타낼 수 있다. 이들 변화는 타이어 챔버(120) 내의 또는 트레드, 측벽, 비드나 턴업 영역 또는 캡 부근 같은 타이어 자체의 구조 내의 온도 변화, 변형 변화, 및 압력 변화를 포함할 수 있다. 이들 변화는 서로 다른 구성요소의 성능의 변화를 나타내기 위해 사용될 수 있다. 액티브 현가 시스템과 함께 사용될 때, 이 변화들은 현가장치 구성을 변경하기 위해 사용될 수 있다.
타이어 구성요소의 재료에 매설될 때, 센서는 구성요소의 제조 프로세스 동안 재료에 추가될 수 있다. 일 실시예에서, 센서는 구성요소 형성 이전의 혼합의 최종 단계 동안 재료에 추가된다. 그후, 이들 센서는 도 3에 도시된 바와 같이 타이어 구성요소의 재료 전반에 걸쳐 무작위로 분포된다. 센서가 탑재된 재료는 그후 타이어 구성요소를 건조하기 위해 사용된다. 센서들 중 일부는 이들 단계 동안 기능불가한 상태가 되지만, 충분한 나머지가 데이터를 제공하도록 동작하는 상태로 남아있다.
도 3은 보강 코드 플라이(142)의 재료 및 몸체 코드 플라이(146)의 재료 내에 복수의 센서(104)가 배설되어 있는 두 개의 예시적 구조를 도시한다. 또한, 센서(104)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 둘 이상의 타이어 구성요소 사이에 개재될 수 있는 층(152) 상에 인쇄되거나 그 내부에 일체로 형성되거나 그에 의해 지지될 수 있다. 층(152)은 복수의 센서(104)를 지지할 수 있는 가요성 재료층이다. 층(152)은 타이어(102)의 선택된 영역 내에 배치(벨트(142)와 플라이(146) 사이에만 같이)되거나, 비드간에 연속적일 수 있다. 층(152)의 크기 및 위치는 감시되는 타이어의 공학적 상태에 기초하여 선택된다. 층(152)은 타이어(102)의 원주 둘레에서 연속적이거나, 패치로 적용될 수 있다. 또한, 층(152)은 인접한 타이어 구성요소의 재료가 연결부를 위한 개구를 통해 서로 직접적으로 접촉할 수 있도록-타이어 굴곡 단계 동안 직접 접합하는 것 같이- 복수의 개구(메시)를 형성할 수 있다. 다른 실시예에서, 층(152)의 재료는 인접 구성요소와 또한 접합되는 경화되지 않은(또는 미가공) 재료나 재료들을 포함한다.
트레드(140), 보강 벨트(142)(이들 도면에서 층(143)으로 도식적으로 도시된 코드의 대향 바이어스된 플라이를 통상적으로 포함하는 벨트(142)), 벨트 단 부(144), 몸체 코드 플라이(146), 베이스 영역(148), 내부라이너(130) 및 측벽(150) 등 같은 타이어(102)의 다양한 영역이 센서(104)에 의해 감시될 수 있다. 예로서, 타이어 측벽(150) 또는 몸체 코드 플라이(146)를 감시하기 위해 응력 및 변형 센서(104)가 사용될 수 있다. 도 2에 도시된 다른 예에서, 보강 벨트(142)의 단부(144)를 감시하기 위해 온도 센서(104)가 사용될 수 있다. 도 2에서, 센서(104)는 단부(144)에 인접하게 배치된 링-형상 층 또는 링-형상 쓰레드내에 배치될 수 있다. 도 2에서, 센서(104)는 또한 층(142)의 단부 내에 배설될 수 있다. 센서(104)가 측벽(150) 내에 배치될 때, 측벽(150) 내에서 생성된 일 및/또는 에너지가 이 방식으로 감시되어 타이어(102)의 동작 이력을 기록할 수 있다. 데이터 처리 장치(110)는 이들 감지된 파라미터가 타이어의 양호한 동작 상태를 초과한 경우를 판정하고 이런 지표를 조작자에게 제공하기 위해 이 데이터를 사용할 수 있다. 양호한 동작 조건은 센서(104)로부터의 데이터의 허용가능한 범위를 형성하도록 제어된 테스트 장비 상에서 유사한 타이어를 구동함으로써 결정될 수 있다. 이들 허용가능한 범위는 타이어 조건을 감시하기 위해 데이터 처리 장치에 의해 사용될 수 있다.
타이어의 비드 링 및 어펙스 충전재는 감시 장치로부터의 라디오 전송과 간섭하는 경향이 있으며, 따라서, 타이어 측벽을 통한 전송이 가능한 강하도록 안테나(108, 114)를 비드 링 및 어펙스 충전재로부터 멀리 배치하는 것이 바람직하다.
차량이 이동할 때 타이어(102)는 회전력을 받을 뿐만 아니라, 타이어가 범프 또는 표면 불규칙부와 접촉할 때 다양한 충격력을 받기 때문에, 타이어에 장착된 센서는 이들 힘 모두를 받는 동안 타이어에 관하여 센서의 위치를 유지하게 충분히 견고하고 충분히 강한 방식으로 부착되어야 한다. 타이어에 센서를 고정하는 한가지 방법은 타이어의 몸체 내에서 이를 경화하는 것을 포함할 수 있다. 예로서, 센서는 130으로 그 위치가 도시되어 있는 타이어의 내부라이너 내부에서 경화될 수 있다. 센서(104)는 내부 라이너의 재료, 몸체 코드 플라이를 수납하는 재료, 보강 코드를 수납하는 재료, 측벽 재료 또는 비드 충전재 전반에 걸쳐 분산될 수 있다. 이들 중 두 가지 예가 도 3에 도시되어 있다.
또한, 센서(104)는 센서가 여전히 타이어 내부에 또는 타이어 상에 있다는 것을 나타내도록 검출될 수 있는 간단한 수신확인 신호를 제공할 수 있다. 예로서, 사전결정된 수의 센서(104)는 유용한 트레드 두께 전반에 걸쳐 균등하게 분포되어 있다. 본 예에서, 예로서, 10,000개의 소형 센서가 트레드 두께 전반에 걸쳐 균등하게 분포되는 것 같이 많은 수의 센서가 사용된다. 본 예의 센서는 모두 유사하고, 각각 별개의 신호를 신호 수집 장치(106)에 제공한다. 신호 수집 장치(106)는 수신한 별개의, 그러나, 유사한 신호의 수를 계수하도록 사용될 수 있으며, 그에 의해, 트레드가 받는 마모량을 결정하기 위해 사용될 수 있는 타이어 내에 여전히 매설되어 있는 센서의 수를 결정할 수 있다. 또한, 트레드 내에 남아있는 센서의 수는 이들 부분/영역 내의 센서를 계수함으로써 트레드의 특정 부분 또는 영역으로 국지화될 수 있다. 이 방식으로, 트레드 마모가 결정될 수 있다.
비록, 이 구성이 타이어 구성요소 내에 매설되거나 타이어 구성 요소 내부의 또는 그에 인접한 센서층 내에 사용될 때 더 포괄적인 결과를 제공하겠지만, 이하 의 구성에서, 타이어는 단일 센서를 구비할 수 있다.
일 예시적 구성에서, 타이어는 임계 온도에서 활성화 또는 비활성화 되도록 구성된 센서(104)를 포함한다. 예시적 임계 온도는 100℃일 수 있다. 임계 온도는 이들 특정 센서(104)가 배치되어 있는 타이어(102)의 영역 내의 부적합한 온도 보다 다소 낮은 온도이거나 부적합한 온도에 대응하도록 설계된다. 특정 온도는 타이어 디자인 및 타이어 구성요소에 의존한다. 시스템이 이 방식으로 구성될 때, 판독기가 급작스럽게 이들 센서(104)로부터의 수신확인 신호의 일부를 소실하거나(비활성화의 경우) 얻는(활성화의 경우) 경우, 이때, 이는 센서(104)를 구비한 타이어(102) 내의 위치에서 임계 온도가 도달되었다는 것을 나타낼 것이다. 센서(104)가 타이어 구성요소에 인접한 층 내에 배치될 때, 이때, 시스템은 구성요소의 적어도 하나의 영역에서 임계 온도가 도달되었다는 것을 나타낼 것이다. 그후, 소프트웨어는 (차량의 사용자에게, 차량의 소유자에게, 정비소에 또는 타이어의 제조자에게 네트워크 통신을 거쳐서) 적절한 지표를 생성할 수 있다. 일 예는 보강 벨트 단부에 인접하게 복수의 센서를 배치하는 것이다. 이들 센서는 타이어 손상 동안 발생하는 온도 보다 다소 미만의 임계 온도에서 신호(또는 수신확인통지)를 제공하는 것을 중단하도록 구성된다. 임계 온도가 도달되고, 센서가 응답 전달을 중단하는 경우, 이때, 차량의 사용자는 타이어가 교체되어야 하거나 타이어가 정비되어야 한다는 것을 경보받을 수 있다.
다른 구성에서, 센서는 규정된 허용가능 범위 이내의 진동 레벨을 받을 때 하나의 신호(또는 판독가능한 신호나 신호의 결여)를 전송하도록 구성될 수 있다. 센서가 지속적으로 이 범위 외부의 진동 레벨을 받는 경우, 타이어 몸체 내측의 진동 레벨의 변화를 나타내기 위해 이들은 다른 신호(다른 주파수의 것 같은 다른 판독가능한 신호, 이들의 턴 온 또는 이들의 턴 오프)를 전송한다.
다른 구성에서, 센서(104)는 정상 타이어 동작 온도의 범위에서 하나의 주파수(또는 주파수 범위)로 전송하도록 구성된다. 센서가 받는 온도가 범위 외부로 떨어질 때, 센서는 타이어 몸체의 온도 변화를 나타내는 다른 주파수로 전송한다.
또한, 센서(104)는 얇은 세장형 구조, 또는 스트링형 구조의 형태로 제공될 수 있으며, 이는 코드 플라이 중 하나, 몸체 코드중 하나 이상 또는 보강 코드 중 하나 이상 내부에 통합될 수 있다. 스트링형 센서 구조는 코드 중 하나를 대체하고 코드 중 하나로서 작용할 수 있거나, 코드들 사이에 배치되거나, 코드 다발 중 하나 내에 통합될 수 있다(랩핑 코드 내부 같은). 이런 스트링은 캐리어 구조체를 따라 이격된 구조로 배치된 센서의 단부끼리 연이어 배열된 복수의 센서를 포함할 수 있다. 예로서, 스트링형 센서 또는 복수의 센서는 몸체 코드 플라이 내에 비드간에 배치되고, 중계 장치가 비드 충전재 내에 매설될 수 있다. 감지된 데이터는 타이어의 외부로 전송되도록 중계 장치에 전송된다. 다른 예는 코드 단부(144)에 원주방향 링 형상 복수의 센서를 배치한다.
본 명세서에 설명된 예시적 실시예(들)는 양호한 실시예를 참조로 설명되었다. 명백히, 상술한 상세한 설명의 숙독 및 이해시 당업자는 변형 및 변경을 안출할 수 있다. 예시적 실시예는 이들이 첨부된 청구범위의 범주 또는 그 균등물 내에서 비롯되는 한 모든 이런 변경 및 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은, 물품에 연결된 또는 물품 내에 배치된 센서로부터 탄성 중합성 물품으로부터 데이터를 얻기 위한 센서 시스템을 제공하는데 사용된다.

Claims (42)

  1. 탄성중합성 물품으로부터 데이터를 얻기 위한 시스템으로서,
    몸체를 구비한 탄성중합성 물품과,
    상기 탄성중합성 물품에 의해 지지되고, 마이크로 스케일의 센서보다 크기가 작은 적어도 하나의 센서와,
    상기 센서로부터 데이터를 얻기 위해 무선 방식으로 상기 센서와 통신하는 데이터 수집 장치와,
    상기 탄성중합성 물품을 감시하기 위해 상기 센서로부터의 데이터를 처리하는 상기 데이터 수집 장치와 통신하는 데이터 프로세서를
    포함하는, 탄성중합성 물품으로부터 데이터를 얻기 위한 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 적어도 하나의 상기 센서는 패시브 센서(passive sensor), 실리콘 기재 센서(silicon-based sensor) 및 비 실리콘 기재 센서(non silicon-based sensor) 중 하나인, 탄성중합성 물품으로부터 데이터를 얻기 위한 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 센서는 기판에 배치된 전도성 잉크에 의해 한정된 회로를 포함하고, 상기 기판은 상기 몸체의 일부분인, 탄성중합성 물품으로부터 데이터를 얻기 위한 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 센서는 전도성 폴리머를 갖는 회로를 포함하는, 탄성중합성 물품으로부터 데이터를 얻기 위한 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 센서는 LCD 센서, 전도성 폴리머 센서, 바이오 폴리머 센서 및 폴리머 다이오드 중 하나인, 탄성중합성 물품으로부터 데이터를 얻기 위한 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 탄성중합성 물품의 상기 몸체는 복수의 센서를 갖고, 상기 복수의 센서는 어레이로 구성되어 있는, 탄성중합성 물품으로부터 데이터를 얻기 위한 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 센서는 상기 탄성중합성 물품에 의해 발생한 에너지 소스에 의해 동력을 공급받는, 탄성중합성 물품으로부터 데이터를 얻기 위한 시스템.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 센서에 전력을 제공하기 위해 적어도 하나의 센서에 연결된 전력 회로를 더 포함하고, 상기 전력 회로는 상기 센서에 전력을 공급하기 위해 상기 탄성중합성 물품에 의해 발생한 에너지를 스캐빈징하는, 탄성중합성 물품으로부터 데이터를 얻기 위한 시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 전력 회로는 압전 회로(piezo-electric circuit)와 카이네틱 파워 소스(kinetic power source) 중 적어도 하나인, 탄성중합성 물품으로부터 데이터를 얻기 위한 시스템.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 센서는 라디오 주파수 식별(RFID) 센서인, 탄성중합성 물품으로부터 데이터를 얻기 위한 시스템.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 센서는 상기 탄성중합성 물품의 상기 몸체 내에 삽입되어 있고, 상기 센서는 상기 탄성중합성 물품의 몸체에 폐색되는 것을 방지하기 위해 충분히 작은, 탄성중합성 물품으로부터 데이터를 얻기 위한 시스템.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 센서는 나노 스케일의 센서보다 크지 않은, 탄성중합성 물품으로부터 데이터를 얻기 위한 시스템.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 센서는 온도, 측벽 굴곡(sidewall flex), 압력, 응력 및 변형 중 적어도 하나를 감지하는, 탄성중합성 물품으로부터 데이터를 얻기 위한 시스템.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 탄성중합성 물품은 타이어, 공압 타이어(pneumatic tire), 에어 스프링(air spring) 및 루핑 부재(roofing member) 중 하나인, 탄성중 합성 물품으로부터 데이터를 얻기 위한 시스템.
  15. 타이어를 감시하기 위한 시스템으로서,
    림(rim)과 타이어를 구비하는 휠(wheel)과,
    상기 휠에 의해 지지되며, 상기 타이어의 적어도 하나의 공학 조건(engineering condition)에 대한 데이터를 제공하도록 구성된 적어도 하나의 센서와,
    센서로부터 데이터를 얻기 위해 무선 방식으로 상기 센서와 통신하는 데이터 수집 장치와,
    상기 센서로부터의 데이터를 처리하기 위해 상기 데이터 수집 장치와 통신하는 데이터 프로세서와,
    적어도 하나의 센서에 연결되고, 상기 센서에 전력을 공급하며, 적어도 하나의 상기 센서에 전력을 공급하기 위해 상기 타이어에 의해 발생한 에너지를 사용하는 전력 회로를
    포함하는, 타이어 감시 시스템.
  16. 제 15항에 있어서, 적어도 하나의 센서는 RFID 센서인, 타이어 감시 시스템.
  17. 적어도 하나의 센서를 사용하여 타이어를 감시하는 방법으로서,
    상기 센서에 전력을 공급하기 위해 타이어에 의해 발생한 에너지를 사용하는 단계와,
    상기 센서로 감지 데이터를 얻는 단계와,
    상기 감지 데이터를 무선 방식으로 데이터 수집 장치에 공급하는 단계를
    포함하는, 타이어 감시 방법.
  18. 공압 타이어로서,
    한 쌍의 비드 링(bead ring)과,
    상기 비드 링 사이에서 연장하는 몸체 코드 플라이(body cord ply)와,
    상기 몸체 코드 플라이의 안쪽으로 배치된 내부라이너(innerlinder)와,
    상기 몸체 코드 플라이의 바깥쪽으로 배치된 벨트 층(belt layer)과,
    상기 몸체 코드 플라이의 바깥쪽으로 배치된 한 쌍의 측벽(sidewall)과,
    복수의 센서를 포함하고, 상기 복수의 센서 중 적어도 일부는 상기 타이어의 공학 조건에 관한 데이터를 제공하도록 조절되어 있는, 공압 타이어.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 센서층은 상기 몸체 코드 플라이 내에 끼워져 있는, 공압 타이어.
  20. 제 18항에 있어서, 상기 센서층은 상기 몸체 코드 플라이와 상기 내부라이너 사이에서 상기 몸체 코드 플라이에 인접하게 배치되어 있는, 공압 타이어.
  21. 제 18항에 있어서, 상기 센서층은 상기 몸체 코드 플라이와 상기 측벽 사이에서 상기 몸체 코드 플라이에 인접하게 배치되어 있는, 공압 타이어.
  22. 제 18항에 있어서, 상기 센서층은 상기 몸체 코드 플라이와 상기 벨트층 사이에서 상기 몸체 코드 플라이에 인접하게 배치되어 있는, 공압 타이어.
  23. 제 18항에 있어서, 상기 센서층은 상기 벨트층의 바깥쪽으로 배치되어 있는, 공압 타이어.
  24. 제 18항에 있어서, 상기 벨트층은 한 쌍의 단부를 구비하고, 상기 센서층은 상기 벨트층의 단부 중 하나에 인접하게 배치되어 있는, 공압 타이어.
  25. 제 18항에 있어서, 상기 센서층은 상기 내부라이너 내에 삽입되어 있는, 공압 타이어.
  26. 제 18항에 있어서, 상기 센서는 온도, 응력, 변형, 전단, 진동 또는 화학적 성질을 포함하는 타이어의 적어도 하나의 물성에 관한 데이터를 제공하도록 조절되어 있는, 공압 타이어.
  27. 제 18항에 있어서, 상기 복수의 센서는 수신확인 신호(acknowledgement signal)를 제공하도록 되어 있는, 공압 타이어.
  28. 제 27항에 있어서, 상기 센서층의 센서 중 일부는 임계 온도(threshold temperature)에서 작동하지 않도록 구성되어 있는, 공압 타이어.
  29. 제 28항에 있어서, 상기 임계 온도는 상기 타이어를 손상시키는 온도보다 낮은, 공압 타이어.
  30. 제 28항에 있어서, 상기 센서층의 상기 센서 중 일부는 임계 온도에서 작동하도록 구성되어 있는, 공압 타이어.
  31. 제 30항에 있어서, 임계 온도는 상기 타이어를 손상시키는 온도보다 낮은, 공압 타이어.
  32. 제 18항에 있어서, 상기 센서는 기판에 인쇄되는, 공압 타이어.
  33. 제 18항에 있어서, 상기 센서층은 가요성 기판에 의해 운반되는 복수의 센서를 포함하는, 공압 타이어.
  34. 제 18항에 있어서, 상기 센서는 적어도 하나의 물성 또는 공학 파라미터에 관한 데이터를 전송하도록 설계된 나노 스케일 또는 마이크로 스케일의 입자나 기능성 분자 또는 매크로 분자로 구성되는, 공압 타이어.
  35. 공압 타이어로서,
    한 쌍의 비드 링과,
    상기 비드 링 사이에서 연장하고, 몸체 코드 플라이 재료에 들어있는 복수의 몸체 코드를 구비하는 몸체 코드 플라이(body cord ply)와,
    몸체 코드 플라이의 안쪽으로 배치된 내부라이너와,
    상기 몸체 코드 플라이의 바깥쪽으로 배치되고, 벨트층 재료에 들어있는 복수의 코드를 구비하는 벨트층과,
    상기 몸체 코드 플라이의 바깥쪽으로 배치되고, 측벽 재료로 이루어지는 한 쌍의 측벽과,
    상기 몸체 코드 플라이 재료, 상기 벨트층 재료 및 상기 측벽 재료 중 적어도 하나에 삽입되어 있는 복수의 센서를
    포함하는, 공압 타이어.
  36. 제 35항에 있어서, 상기 센서는 상기 재료에 무작위로 배치된, 공압 타이어.
  37. 제 35항에 있어서, 상기 센서는 상기 타이어의 적어도 하나의 특성에 관한 데이터를 제공하도록 되어 있는, 공압 타이어.
  38. 제 35항에 있어서, 상기 센서는 수신 확인 표시를 제공하도록만 구성되어 있는, 공압 타이어.
  39. 제 35항에 있어서, 상기 센서의 일부는 임계 온도에서 작동하지 않도록 구성되어 있고, 상기 임계 온도는 상기 센서가 삽입된 재료를 손상시키는 온도보다 낮은, 공압 타이어.
  40. 제 35항에 있어서, 상기 센서의 일부는 상기 센서를 수용하는 재료가 손상되는 온도 부근의 온도에서 작동하도록 구성되어 있는, 공압 타이어.
  41. 제 35항에 있어서, 상기 센서는 RF형 센서, RFID형 센서, LCD 센서, 전도성 폴리머 센서, 바이오 폴리머 센서 및 폴리머 다이오드 중 하나인, 공압 타이어.
  42. 제 35항에 있어서, 상기 센서는 적어도 하나의 물성 또는 공학 파라미터에 관한 데이터를 전송하도록 설계된 나노 스케일 또는 마이크로 스케일의 입자나 기능성 분자 또는 매크로 분자로 구성되는, 공압 타이어.
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