KR20090009196A - 전동 벨트의 마모 감지 및 벨트 구동 시스템의 동작 모니터링 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

마모 또는 변칙적인 기능을 위해 비접촉식 센서를 통해 순환 벨트 및 이와 관련된 벨트 구동 시스템을 모니터할 수 있고, 벨트 구동 시스템의 상태를 측정하고 벨트 및 시스템의 손상 단계를 미리 검출하는 장치 및 방법. 하나 또는 여러 개의 독립적인 센서 요소들이 벨트에 인접하거나 벨트 부근에 위치되고, 이로 인해 동시에 발생하는 여러가지 벨트 작동의 정상적인 모드들을 모니터링하는 것을 특징으로 하는 감지 유닛. 센서는 수집된 신호를 처리하고 구조적인 손상을 검출하여 전체 타이밍 구동 장치의 건전함을 연속적으로 측정할 수 있다. 수집된 데이터는 센서에 집적된 마이크로 제어장치를 통해 처리된다. 마모 또는 변칙적인 기능을 위해 순환 벨트를 모니터링하는 장치 및 방법은 벨트에 인접하거나 벨트 부근에 위치되고, 특히 벨트를 통해 나타나는 전기 용량 및 압전 효과들과 연결된 동적 전기 용량 변화를 감지하는 전기 회로에 연결된 하나 또는 여러 개의 감지 요소들을 포함하는 비접촉식 축전기 배열을 이용한다. 장치는 또한 벨트가 변칙적인 기능에 의해 영향을 받고 있는지를 검출하여 벨트와 관련된 구동 장치 부품들을 모니터링할 수 있다. 센서는 벨트 구동 장치의 정상 작동 동안 연속적으로 벨트를 모니터한다. 센서는 특히 일반적으로 작업장, 산업 현장 및 자동차 분야에 사용되는 벨트를 감지하고, 섬유 코드 로드 베어링 코어(fiber cord load bearing core)를 구비한 중합체 매트릭스를 특징으로 한다.

벨트, 벨트 구동 장치, 타이밍 벨트, 손상, 전기 용량, 신호, 감지

Description

전동 벨트의 마모 감지 및 벨트 구동 시스템의 동작 모니터링 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING TRANSMISSION BELT WEAR AND MONITORING BELT DRIVE SYSTEM PERFORMANCE}

본 발명은 마모 또는 변칙적인 기능을 위해 비접촉식 센서를 통해 순환 벨트 및 이와 관련된 벨트 구동 시스템을 모니터할 수 있고, 벨트 구동 시스템의 상태를 측정하고 벨트 및 시스템의 손상 단계를 미리 검출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

동력 전달 분야에서, 벨트 구동 장치는 회전 요소들을 연결하는 바람직한 수단이다. 이들은 전통적으로 비동기식 및 동기식 벨트 구동 장치의 두 개의 일반적인 종류로 나뉜다. 차량에서, 이 두 종류는 광범위하게 사용된다. 비동기식 구동 장치는 워터 펌프, 공기 조화 압축기, 파워 스티어링 펌프 및 교류기 유닛과 같은 부속품을 구동하는 바람직한 수단이다. 일반적으로 타이밍 구동 장치라 불리는 동기식 구동 장치는 오버헤드 캠샤프트 시스템(overhead camshaft system)을 구동하는 바람직한 수단이고, 구동 부품의 동기성(synchronicity)이 필요한 내연 기관에는 어디에나 널리 사용된다. 이러한 구동 장치의 일 예가 도 1에 도시된다.

타이밍 벨트는 전형적으로 섬유 유리, 직물(woven fabrics), 고무 및 다른 여러 중합체들의 복합물이다. 이 모든 물질들은 압전 특성을 나타낸다: 이는 이 물질들이 변형되는 동안 전하들을 발생시킬 수 있기 때문에다. 정상 작동 조건하에서, 벨트는 스프로켓(sprocket) 및 풀리(pulley)에 감겨 작동할 때, 장력(tension force)과 굽힘력(bending force)에 의해 변형된다. 이 변형들은 전하들을 발생시킨다. 벨트 물질의 비교적 높은 저항으로 인해, 전하들은 검출될 만큼 오랫동안 존재한다. 압전 효과에 의해 발생된 전기 전하들은 변형량에 비례한다. 이 특성은 힘 변환기(force transducers) 및 가속도계에서 성공적으로 사용되고 있다.

여기에 기술된 발명은 두 구동 방식에 모두 적합하지만, 특히 타이밍 구동 장치에 적합하다. 벨트는 사용중에 다른 수단들 즉, 체인 또는 기어 구동 장치보다 더 경제적이고, 덜 복잡하며 더 효율적이다. 벨트의 주 결점은 그 수명 또는 차량 수명 중에 벨트가 잠재적으로 고장날 수 있는 시점을 측정하기 어렵다는 점이다. 지금까지, 시각적인 검사가 벨트 구동 및 이와 관련된 부품들의 상태를 확인하기 위한 유일한 방법이었다. 그러나, 이 방법은 매우 번거롭고 비현실적인 절차이다. 타이밍 구동 장치는 오염 물질에의 취약성 때문에 보통 케이스에 내장되어 작동되고, 시각적인 검사를 하기 전에 케이스를 제거해야 하는 일은 일반적으로 매우 노동 집약적인 공정이다. 또한, 벨트 및 다른 부품들의 손상을 항상 육안으로 확인할 수 없어서, 시각적인 검사는 효과가 없을 수도 있다. 또한, 벨트의 고장은 차량 또 는 구동 장치가 작동될 수 없게 하고, 높은 압축비를 갖는 최신 연소 기관의 특성으로 인해 고장난 벨트는 일반적으로 엔진에 심각한 손상을 주고, 이 고장은 비동기성(de-synchronicity) 및 밸브 트레인과 피스톤이 충돌하는 위험을 수반한다.

비록 타이밍 벨트가 개량된 물질 및 향상된 기어 구조의 사용을 통해 상당히 발전했지만, 이 구조적인 발전은 전체 타이밍 구동 시스템에 대한 평균 여명(life expectancy) 문제를 해결하지는 못한다. 높은 수리 비용과 관련된 벨트 구동 장치의 평균 여명의 불확실성 및 이에 따른 고객의 불만은 엔진 제조업자들로 하여금 이러한 구동 장치의 설계 및 사용에 있어서 상당한 안전 마진을 고려하여 계산하도록 하였다. 그 결과, 벨트는 필요 이상 더 넓게 제조되었고, 벨트 교환을 위해 제시된 유효 기간은 조심스럽게 낮아졌다. 벨트 사용 수명에 대한 불확실성은 엔진 제조업자들 및 타이밍 구동 장치 설계자들로 하여금 벨트의 사용보다는 체인의 사용으로 회귀하는 것을 고려하게 하였다. 정비가 필요없는 엔진을 향한 시장의 추세가 상기한 고려를 더욱 강화시켰다. 그러나, 엔진 제조업자들은 체인으로 전환되는 것을 매우 달갑지 않아 하였고, 모든 가능한 수단을 통해 이러한 수수께끼 같은 문제를 해결하기 위해 오랫동안 노력해 왔다.

종래 기술은 이 문제를 다루려고 하는 많은 발명들을 통해 활발한 움직임을 보여준다. 발명된 수많은 사상들이 이 문제를 해결하지 못하였고, 대부분이 산업화되지 못했다. 수반된 추가 비용 또는 설계 도전을 정당화시키기에 충분하지 못하기 때문에, 많은 해결책들이 투자자들을 끌어들이지 못했다. 이는 벨트에 대한 설계 도전을 요구하는 해결책들의 종류이다. 미국특허 제6,181,239호 및 제6,523,400호는 와이어가 삽입된 벨트 또는 금속 구조물의 파손 또는 변화된 유도 계수 또는 전기 용량을 통해 벨트 마모를 감지할 수 있는 해결책들을 주장한다. 벨트 제조 분야의 당업자에게 이러한 해결책은 비현실적인 것이다. 벨트에 삽입된 금속 구조물은 제조 방법론으로부터 대단한 발전을 의미하지만, 벨트의 전체 내구성에 대한 상기 금속 구조물의 영향에 관하여 큰 불확실성을 가져다 줄 것이다. 벨트 제조업자들은 설계 변경에 대하여 매우 보수적인 접근을 하려는 경향이 있어, 상기 방식의 해결책들의 실행을 매우 불안하게 한다. 또한, 이러한 사업에 관련된 비용은 제품을 매우 비싸게 만들 것이다. 또 다른 결점은 이러한 해결책이 OEM에 의해 설치된 벨트에서만 기능을 한다는 것이다. 자동차 산업의 애프터마켓(aftermarket)에서, 특별한 엔진 구동 장치에 채용된 벨트들은 종종 여러 제조업자들에 의해 제조된다. 흔히, 벨트들은 OEM에 의해 설치된 벨트보다는 다른 제조업자들로부터 서비스를 받는다.

발명들은 또한 기계 장치, 광전자 사진 장치 또는 온/오프 스위치 감지 장치에 기초한 것이고, 전형적인 예가 마모된 벨트의 측면 궤도에 반응하는 광학 또는 역학 스위치의 사용을 주장하는 미국특허 제6,569,046호 및 모두 가깝게 위치된 고장난 기어 또는 이를 감지하는 상기 스위치들의 사용을 주장하는 미국특허 제4,626,230호이다. 이러한 장치들은 휴지 상태에 있고 감시되고 있는 벨트가 손상된 경우에만 작동되기 때문에, 오염 물질에 취약하고 잘못된 경보를 주거나 신뢰할 수 없는 경향이 있다. 또한, 필요한 입력 신호가 모의 실험될 수 없기 때문에 상기 장치들의 기능을 검사하는 것이 불가능하다. 잘못된 경보의 가능성 때문에, 이 장치들은 벨트가 이미 심각하게 파손된 경우 발생하는 것처럼, 시스템의 심각한 전복에 응답하기 위해 조정되어야 한다. 이는 운전자에게 약간의 경고 또는 아무 경고도 주지 않는다.

비접촉식 수단을 통해 구동 벨트의 마모 및 손상을 감지하기 위한 본 발명은 벨트에 손상을 주는 어떤 영향 또는 입력들뿐만 아니라 벨트의 물리적이거나 구조적인 손상을 감지하여 구동 장치의 동작을 모니터하기 위한 수단을 제공함으로써, 종래 기술을 뛰어넘는 상당한 개선점을 제공한다. 이 분야의 당업자에게, 변칙적인 입력값이 없는 최상의 조건에서 벨트가 작동된다면, 도 1에 도시된 타이밍 시스템에 사용되는 벨트가 체인만큼 내구성을 갖는다는 것은 자명하다. 대부분의 경우 벨트는, 벨트가 이와 연결된 부품들의 불완전한 움직임에 영향을 받거나, 또는 일반적으로 엔진 및 산업 기계에 사용되는 오일, 냉각제 및 다른 약품들과 같은 유체에 의해 오염되거나, 또는 기밀이 이루어지지 않은 케이싱을 통해 침투한 먼지, 얼음, 물 및 돌가루와 같은 외부의 이물질에 노출되는 등의 변칙적인 원인에 의해 너무 빨리 손상된다. 본질상, 본 발명은 상기한 변칙적인 영향들에 대해 구동 벨트를 모니터하는데 사용될 수 있다. 종래 기술에 설명된 발명과는 다르게, 본 발명의 신속한 실행을 통해 벨트 구동 장치 설계를 변경할 필요가 없다는 또 다른 이점을 얻을 수 있다. 본 발명은 벨트 구동 장치의 수명을 측정하고, 설계자로 하여금 전체 시스템의 질을 개량할 수 있는 다수의 전략을 채택할 수 있도록 하기 위한 신뢰성 있는 시스템을 제공한다.

일정한 길이의 새로운 벨트에서, 압전 전하들은 균일하게 분포된다. 새로운 센서는 전하 밀도의 변화에 민감하고, 따라서 출력 신호의 변화량은 크지 않을 것이다. 벨트가 사용으로 인해 마모되는 경우에 벨트의 일부분이 약화되고, 엔진 작동 중에 하중이 걸리는 경우에 큰 변형량을 나타낼 것이며, 이어서 상기 벨트 부분에 큰 압전 효과를 초래하고, 높은 국부 전하 밀도를 초래할 것이다. 이 세로운 센서는 높은 국부 전하를 감지하고, 그 결과 신호 크기가 증가된다. 따라서, 더 큰 신호 크기는 벨트의 더 큰 약화를 의미한다. 이 센서는 또한 벨트의 유전체 특성의 동적 변화의 결과인 전기 용량의 변화를 감지한다.

본 발명은 MPU(microprocessing unit)에 연결된 비접촉식 센서를 특징으로 한다. 이 센서는 회로에 연결되고 유전율의 변화 또는 전기 용량의 변화를 감지하도록 설계된 하나 또는 복수의 전기 용량 감지 요소를 통해 작동한다. 이 센서는 또한 압전 효과에 의한 정전기 용량을 감지하고, 벨트는 시스템의 정상 작동 동안 전기 용량 감지 요소들을 통과하는 구조 물질이 변형되도록 유도한다. 벨트의 압전 특성은 벨트 구동 장치의 작동 동안 벨트에 가해지는 변형에 비례하여 벨트에 축적된 전하 또는 준정전기를 발생시킨다. 약화된 벨트 부분이 큰 변형을 일으킬 것이고, 따라서 센서로부터 높은 신호 레벨로 변환되는 높은 전하를 발생시키기 때문에, 이 효과는 벨트 약화의 지표로서 이용될 수 있다. 감지 요소들은 벨트의 핵심 특징, 특히 작동 동안 벨트 및 벨트 구동 장치를 나타내는 핵심 모드들에 대응하는 신호 응답을 발생시키기 위한 방식으로 위치된다. 일반적인 감지 모드들은: 기본적인 벨트 신호, 고유 스팬(span) 진동 및 메싱 주파수들, 순간적인 RPM에 의한 벨트 기어 및 한 주기의 신호 이벤트(one per revolution signal event)이다. 손상을 초래하는 벨트 뒤틀림은 일반적으로 벨트의 한 부분에서 시작될 것이고, 센서는 이를 감지하고 이후부터 OPRSE로 불리는 벨트당 한 주기의 신호 이벤트(one-per-belt revolution signal event)를 생성할 것이다.

오염은 벨트의 유전체 상수 및/또는 정전기 용량 및 압전 습성의 영구적이거나 반 영구적인 변화를 일으킬 것이고, 이는 감지 요소들에 의해 기록되고, 신호 스레스홀드(threshold)의 전체적인 변화를 초래할 것이다. 연결된 부품들의 초기 고장은 벨트의 장력을 변화시킬 것이다. 장력의 변화는 진동 신호를 변화시킬 것이고, 벨트의 스팬이 정상 작동 중에 다시 나타날 것이다. 또한, 벨트 구동 장치의 뒤틀림 신호 또한 변화될 것이다. 신호의 변화가 벨트 장력의 양적인 증가 또는 감소와 직접적으로 연관될 수 있다는 것은 벨트 구동 장치 기술 분야의 당업자에게 자명하다. 감지 회로로부터 파생된 신호는 다수의 신호 처리 방법론을 통해 처리될 수 있다. 신호에 기초한 아날로그는 또한 조정되고, 데이터 수집 및 신호 분석을 가능하게 하는 장치에 결합될 수 있다. 그러나, 본 발명은 아날로그 신호가 MPU(micro processing unit)가 삽입된 센서 구조물을 통해 수행되는 DSP(digital signal processing) 알고리즘에 의해 분석되는 독립적인 장치로서 실현된다. 결과 데이터는 최종 사용자의 방법에 따라 센서 구조물의 보드에 저장되고, 이 데이터는 또한 외부의 PLC(Programmable Logic Controller) 또는 차량 제어 장치의 알고리즘에 의해 분석되거나, 중앙 데이터 베이스에 전달되도록 저장될 수 있다.

이러한 기능성은 벨트 사용자들(OEMs)에게 다음과 같은 많은 이점을 준다: 즉, 벨트 또는 다른 타이밍 구동 장치의 부품들이 계산된 주행거리에 도달하여 지금까지처럼 서비스를 받아야할 필요가 있는 경우, 차량이 신호를 발생하게 되는 것과 같이, 서비스 시간 간격들에 대한 비선형적인 접근을 허용한다(구조, 법의 집행을 위한 차량이나 택시와 같은 과도한 순환 주기를 갖는 차량들에 특히 유리하다). 심각한 손상 또는 기능이 손실되기 전에 구동 장치 고장의 신호를 빨리 감지하는 것은, 특히 보증 기간 중에 고장이 난 경우 비용을 크게 절감할 수 있다. 수집된 데이터에 기초하여, 사용자들은 서비스 보고서를 발행하는 등 미리 앞을 내다보고 대응할 수 있다. 수집된 데이터에 기초하여, 사용자들은 타이밍 구동 장치의 사용 기간을 구성하는 노하우 및 구동 장치를 최선으로 설계하는 방법을 가져올 것이다. 벨트들은 더 폭이 좁게 만들어질 것이고, 이로 인해 한 간격 당 몇 mm를 절약할 수 있으며, 이러한 절약들이 축적될 것이다. 마케팅 도구로서 채용된다면, 본 발명은 벨트 구동 장치가 신뢰성이 없다는 현재의 사고 방식을 줄이거나 제거하고, 차량의 최종 사용자에게 마음의 안정을 줄 것이다. 위에서 언급한 이점들은 또한 산업 벨트 구동 시스템들에도 적용이 가능하다.

이하의 상세한 설명 및 첨부된 도면들과 연관된 바람직한 실시예들을 통해 본 발명을 쉽게 이해할 수 있다.

도 1은 감지 장치가 적절하게 위치된 상태에서 벨트 구동 장치의 입면도,

도 2는 감지 장치 및 인접한 벨트 구조물의 단면도,

도 3은 전형적인 벨트 구조물의 단면도,

도 4는 전형적인 벨트 구조물의 측면도,

도 5는 전형적인 벨트가 섬유 코드를 노출하여 전형적인 구조적 결함을 보이는 파손된 상태인 벨트의 입면도,

도 6은 개별적인 벨트 기어 구조의 결함을 나타내는 벨트의 측면도,

도 7은 두 부품 사이의 벨트 스팬(span)에서의 전형적인 진동 모드를 나타내는 벨트 구동 장치의 입면도,

도 8은 감지 요소의 바람직한 수직 배치를 나타내는 전형적인 벨트 구조물의 단면도,

도 9는 감지 요소의 바람직한 수직 배치를 나타내는 벨트의 측면도,

도 10은 감지 요소의 바람직한 평행 배치를 나타내는 전형적인 벨트 구조물 의 단면도,

도 11은 감지 요소의 바람직한 평행 배치를 나타내는 벨트의 측면도,

도 12는 감지 요소의 바람직한 수평 배치를 나타내는 전형적인 벨트 구조물의 단면도,

도 13은 감지 요소의 수평 배치를 나타내는 벨트의 측면도,

도 14는 감지 요소의 바람직한 설치 방법을 나타내는 측면도,

도 15는 감지 요소의 바람직한 설치 방법을 나타내는 입면도,

도 16은 감지 요소의 바람직한 설치 방법을 나타내는 입면도,

도 17은 감지 요소의 바람직한 설치 방법을 나타내는 입면도,

도 18은 바람직한 감지 요소를 나타내는 입면도,

도 19는 완성된 감지 장치의 바람직한 실시예를 나타내는 전형적인 타이밍 구동 장치의 일부의 입면도,

도 20은 도 19와 동일한 감지 장치의 보조 도면,

도 21은 감지 요소들/수신 장치들의 바람직한 위치 및 요소들이 어떻게 전기 회로에 연결되는지를 나타내는 벨트의 단면도,

도 22는 감지 장치의 주요 부품들을 통과하고, 센서의 외부에서 장치들과 통신하는 신호를 나타내는 블록도,

도 23은 55Hz의 스팬 진동에서 발생되는 신호를 나타내는 도면,

도 24는 도 23의 신호의 스펙트럼을 나타내는 도면,

도 25는 30Hz의 스팬 진동에서 발생되는 신호를 나타내는 도면,

도 26은 도 25의 신호의 스펙트럼을 나타내는 도면,

도 27은 한 주기의 신호 이벤트(one-per-revolution event)를 포착한 신호를 나타내는 도면,

도 28은 벨트 기어 펄스 신호를 나타내는 도면,

도 29는 감지 요소의 종단면을 나타내는 벨트의 측면도,

도 30은 신호 소거를 이용한 두 감지 요소들의 바람직한 수직 위치를 나타내는 벨트의 측면도,

도 31은 벨트 기어 펄스 신호 및 벨트 오염 물질의 영향을 나타내는 도면.

본 발명은 특히 벨트 구동 장치의 작동 상태를 나타내고, 구동 장치의 고장을 피하기 위해 벨트 및/또는 이와 관련된 부품들을 교체해야할 때를 예측하기에 적합한 감지 장치 및 신호 분석 방법론을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 도 22에 도시된 것처럼, 벨트에 접촉하지 않고 신호 데이터를 수집하기 위해 전기 용량 및 압전 특성과 연결된 전기 용량 수단을 통해 작동되는 전기 회로(51) 및 감지 요소들(36)을 특징으로 한다. 감지 요소들(36)은 고정된 구조물 즉, 벨트 케이싱(casing)을 통해 벨트를 감지하는 것이 가능하다. 감지 특성은 특히 통과하는 벨트로부터 동적 고조파(dynamic harmonic)와 일시적인 고장을 감지하는데 매우 적합하다. 전기 회로는 전기 용량(capacitive), 전기 용량(electrocapacitive), 및 압전 감지 회로 기술 분야의 당업자에 의해 많은 방법으로 실현될 수 있다. 뉴저 지(NJ) 피스카타웨이(Piscataway)의 전기전자 기술자 협회(IEEE)의 래리 케이 백스터(Larry K Baxter)가 저술한 간행물 "전기 용량 센서 설계 및 응용"은 상기 회로의 예들의 훌륭한 공급원이다. 이 간행물에 기술된 금속 산화막 반도체(MOS; metal oxide semicondictor) 트랜지스터의 사용에 대한 새로운 접근은 이를 통해 요소들이 혼합 신호 회로에 쉽게 통합될 수 있기 때문에 바람직하지만, 본 발명의 관점에서, 적절한 특성을 갖는 전기 용량 감지 회로가 채용될 수 있다. 이 회로의 일부는 아날로그 회로(51)로 불린다. 아날로그 회로에 결합된 감지 요소는 바람직한 신호 입력을 가장 잘 생성시키기 위해 목표 벨트 구조물 주변에 배치된다. 감지 요소들(51)은 한정된 전기 용량을 생성하고, 전기용량 장(capacitive field)을 투영하는 인접하게 배치된 두 전극으로 구성된다. 전극들은 유전체 특성을 변화시키는 벨트가 전극들의 전기 용량을 변화시키도록 전기용량 장에 영향을 미치는 방식으로 목표 벨트를 향하여 위치되고, 이는 결합된 아날로그 회로(51)를 통해 감지된다. 감지 요소들은 또한 유도 결합을 통해 합성된 벨트 물질의 압전 물질 특성의 결과물인 벨트에 축적된 전기 용량(electrocapacitive) 전하를 감지한다.

도 8 및 9에 도시된 것처럼, 벨트 구조물을 가로질러 배치된 감지 요소(36)는 특히 통과하는 기어 구조물(21)에 대한 신호 응답을 일으킬 것이다. 요소의 신호 응답은 벨트(17)의 기어 피치(tooth pitch)와 일치하는 거리(80)로 도 28에 도시된다.

본 발명의 관점에서, 도 8, 9 및 13에 도시된 것처럼 복수의 벨트 기어 피치(16)만큼 이격되어 위치된 둘 또는 그 이상의 감지 요소들(36, 38)은 통과하는 기어의 신호 응답의 증가에 영향을 미칠 것이다.

도 19 및 20에 도시된 것처럼 벨트 움직임의 주된 방향을 따라 세로로 배치된 감지 요소(37)는 도 7에 도시된 것처럼 특히 측면 움직임(27)에 대한 신호 응답을 현저히 일으킬 것이다. 측면 움직임은 일반적으로 고유 또는 유도 스팬 진동을 초래한다. 도 23은 진동 주기(84) 및 진폭(73)을 통해 도 7에 도시된 고유 스팬 진동의 전형적인 신호 응답을 나타낸다. 도 24는 벨트 스팬(14)의 고유 주파수(71)를 나타내는 신호(74)의 주파수 스펙트럼을 나타낸다. 셋 또는 그 이상의 벨트 기어 피치(16)와 동등한 길이를 갖는 감지 요소(37)는 통과하는 벨트 기어에 영향을 받지 않고, 따라서 메싱 신호(meshing signal)를 생성하는 벨트 기어의 필터 역할을 할 것이다. 벨트 스팬(14)의 측면 움직임이 나타나면, 감지 요소는 주파수(70)와 관련된 메싱(meshing)만을 감지할 것이다.

도 21에 도시된 것처럼, 여러 감지 요소들(36, 37, 38)로 구성된 센서는 복합 스위치(50)를 이용한 아날로그 회로(51)에 연결된다. 복합 스위치는 도 22에 도시된 MPU(microprocessor unit)를 통해 제어되고, 개별적으로, 집합적으로 또는 어떠한 조합으로든지 채용된 DSP(digital signal processor) 방법에 필요한 각 감지 요소(36, 37, 38)로부터의 신호 추출을 가능하게 한다.

도 30에 도시된 것처럼, 감지 요소들(36)의 연결은 벨트의 반 피치가 증가된 만큼의 간격(45)으로 이격된 특수한 배치로 벨트의 양 측면 또는 같은 측면에 위치되고, 결과적으로 하나는 기어의 끝을 향하고, 다른 하나는 골을 향한다. 이 감지 요소의 구성은 도면부호 81이 이 소거를 나타내는 도 30에 도시된 것처럼, 통과하는 벨트 기어(20)가 서로 소거되는 신호(46, 47) 특성으로 인해 신호 응답이 상당히 감소하는데 영향을 미친다. 이는 센서가 OPRSE(one-per-revolution signal event)를 찾도록 만들어진 경우 또는 내부의 구조적 손상 즉, 벨트의 결함을 찾는 경우에 특히 바람직하다. OPRSE는 구조적 결함 또는 벨트(17)의 악화로 인한 손상이 감지된 경우 나타난다. 대부분의 경우, 벨트 손상은 한 점에서 시작될 것이고, 또 다른 작업 과정 중에 전개되어, 벨트 전체의 손상을 초래한다. OPRSE는 벨트가 손상되어 즉시 교체되어야 함을 표시하는 것이다. 도 5는 일반적으로 OPRSE에 의해 표시된 두 가지 형태의 벨트 손상(초기의 코드 파손(22) 및 중합체 결함(23))을 나타낸다. 도 6은 결함이 있는 기어 구조물(24) 또는 깨진 기어(25)로 인한 벨트(17)의 손상을 나타낸다. 이 손상의 형태들은 식별 가능한 신호 이벤트(signal event)로써 신호 트레이스(signal trace)에 나타날 것이다. 상기 신호 트레이스의 일예가, 신호 피크(signal peak; 79)가 벨트의 한 특정 점에 상기 OPRSE를 나타내는 반면, 간격(78)이 감지 요소들을 지나간 하나의 완전한 벨트 주기를 나타내는, 도 27에 도시된다. 신호 피크(79)는 신호들이 빗나가는 것과 잘못된 경보를 피하기 위해 스레스홀드 레벨(threshold level)과 비교하기 전 또는 후에 다수의 주기들에 걸쳐 합산될 수 있다.

도 1에 도시된 것처럼, 구동 장치에 사용된 벨트(17)는 벨트에 잔류물로 남아 유전체 및/또는 전기 용량(electrocapacitive) 특성들의 충분한 변화를 일으키는 오일, 엔진 냉각제 또는 어떤 유체 오염물질과 같은 유체들로 오염되고, 센서 조립체는 유체들의 존재를 감지하고, 오염되기 전에 측정된 신호 레벨(82) 및 오염된 후에 측정된 신호 레벨(83)을 표시한 도 31에 도시된 것처럼, 전체 신호 스레스홀드의 변화를 기록할 것이다.

도 1은 일반적으로 내연 기관의 캠샤프트(camshafts)의 동시성을 유지하기 위해 사용되며 일반적으로 타이밍 구동 장치라 불리는 벨트 구동 장치의 모니터링 장치로서, 본 발명의 주요 적용 예를 나타낸다. 벨트 구동 장치에서, 새로운 센서(30)가 캠샤프트 스프로켓(7)에 인접하게 위치된다. 이 위치에서, 센서(30)는 구동 장치를 모니터하고 벨트(17)의 다른 어떤 변칙적인 입력을 검출할 뿐만 아니라 벨트의 손상을 검출하기 위해 구비된다. 비접촉식 수단을 통해 센서(30)가 작동하기 때문에, 도 2에 도시된 것처럼 이동하는 벨트 구조물(17)을 방해하지 않도록 충분한 갭(34, 35)을 갖고 이격되어 있다. 도 22에서 파선으로 둘러싸여 도시된 것처럼, 센서(30)는 그 구조물에 삽입된 모든 감지 요소들(36, 37, 38) 및 전자 부품들을 구비하고, 이들은 센서가 자율적으로 작동되도록 한다. 센서(30)는 차량 엔진 제어 장치에 연결되고, 일반적으로 마스터 차량 엔진 제어 장치(58)에 원격 조정되 도록 작동될 수 있으며, 유선 안테나(31) 또는 무선 안테나(32)를 통해 제어 장치와 통신한다. 신호 경로는 다음과 같다: 감지 요소(36)가 전기장(72)을 통해 벨트(17)를 감지한다. 감지 요소(36)가 도 21에 도시된 복합 수단(50)을 통해 아날로그 회로(51)에 결합된다. 회로가 A/D 컨버터에 의해 디지털 데이터 스트림(digital data stream)으로 변환되고 MPU(53)에 저장되는 아날로그 신호를 발생시킨다. MPU(53)는 내장된 알고리즘을 통해 디지털 신호 처리(DSP)를 수행한다. 디지털 신호 처리 기술 분야의 당업자에게 적절한 DSP가 잘 알려져 있다.

센서 조립체(30)는 차량 동력 공급원이 독립적으로 작동되도록 하는 내장된 배터리 동력 공급원을 통해 독립적인 유닛으로서 작동될 것이다. 이 옵션은 애프터마켓에 특히 적합하다.

센서 조립체(30)에 포함된 전자 부품들은 연속적인 자동 통신 프로토콜(serial automotive communication protocol), 예를 들면, LIN(Local Interconnect Network)이나 CAN(Controller Area Network)(57)을 통해 또는 이러한 프로토콜들의 유도(도 22)를 통해 유선 또는 무선으로 차량과 통신한다.

센서 조립체(30)에 포함된 전자 부품들은 벨트 또는 구동 장치의 고장이 임박한 경우, 감지된 신호에 기초하여 독립적인 결정을 가능하게 하는 알고리즘을 통해 미리 프로그램된 내장된 MPU(53)을 구비한다.

센서 조립체(30)는 센서가 주기적으로 또는 요구될 때마다 벨트의 장력 또는 캠샤프트의 비틀림 신호와 같은 저장된 타이밍 구동 장치의 동작 파라미터들을 차량 제어 장치(ECU)(58)에 전달할 수 있는 시스템 모니터링 수단으로 이용될 수 있다. 동작 파리미터는 차량이 정상적으로 예정된 유지 보수를 위해 차량 OEM(59) 데이터 베이스에 통신 업링크(uplink) 또는 다운로드(download)하기 위한 수단을 구비한 경우, 자동차 제조업자에게 무선으로 전달될 수 있다.

감지 요소들은 요소들의 표면적을 조율하여 얻은 바람직한 감지 범위 및 전기 용량 값의 조건하에서 여러 방법으로 제작될 수 있고, 이 감지 범위 및 전기 용량 값은 전기 용량 효과를 위한 감지 요소들의 감도를 결정한다. 기본적인 감지 요소는 유전체 성분을 통해 소정 거리로 이격되어 있는 두 개의 금속 구조물로 구성된다. 도 14는 표준 전자 산업 회로 기판 제조 방법을 이용하여 PCB(printed circuit board)(39)에 식각된 평행한 두 구리 트랙(40, 41)으로 구성된 감지 요소를 나타낸다. 도 15는 U자 형상의 구리 트랙(41)으로 둘러싸인 구리 트랙(40)이 작은 접지면을 유지하면서 감지 센서 전기 용량을 증가시키는 방법을 나타낸다. 도 16은 U자 형상의 두 구리 트랙(40, 41)을 나타낸다. 도 17은 각각 유전체로 덮여 있는 두 개의 꼬아진 와이어(40, 41)를 통해 감지 요소를 제작하는 다른 방법을 나타낸다. 와이어 덮개의 두께는 전극들로 구성된 두 개의 와이어 사이의 거리를 한정한다. 도 29는 유전체 물질의 양측면에 용접된 두 개의 금속판 또는 띠강 판(strips)(42)을 나타내고, 이 둘 사이의 간격은 목표 벨트(17)의 벨트 기어 피치 간격(16) 또는 이의 절반과 동일하다. 감지 요소 구조물은 통과하는 벨트 기어 구조물을 감지하는데 적합하다.

아날로그 회로(51)에 연결된 감지 요소들(36, 37, 38)은 도 28에 도시된 것처럼, 연속적으로 조정되는 아날로그 교류 신호를 출력한다. 이 신호는 2진 신호로 변환되고, 아날로그 회로(51)에 결합된 저장 및 계산 유닛(MPU)(53)에 전달된다. 신호에 기초하여 통합된 DSP 알고리즘은 순간적인 벨트 구동 속도를 계산한다.

아날로그 회로(51)에 연결된 감지 요소(37)는 도 23 및 25에 도시된 것처럼, 연속적으로 조정되는 아날로그 교류 신호를 출력한다. 이 신호는 2진 신호로 변환되고, 아날로그 회로(51)에 결합된 저장 및 계산 유닛(MPU)(53)에 전달된다. 상기 신호에 기초하여, DSP 알고리즘이 포함된 MPU(53)는 감지 요소와 인접한 특정 벨트 스팬의 고유 주파수(74)를 계산한다. 벨트 구동 장치의 기술 분야의 당업자에게, 계산된 주파수(74)는 벨트 스팬의 장력 레벨과 서로 관련될 수 있다. 따라서, 도 26에 도시된 주파수의 변화는 벨트 장력의 변화를 암시한다. 주파수의 모니터링은 벨트의 장력 레벨이 미리 계산된 작동 가능한 스레스홀드의 외측으로 변화되었는지를 감지하기 위한 수단을 제공한다. 또한, 박스로 표시한 부분(77)처럼, 도 25에 도시된 신호가 부가적인 주파수 성분을 나타내는 경우, 신호는 부가적으로 유도된 벨트 스팬의 이동을 나타낸다. 주파수 성분은 일반적으로 벨트 및 스프로켓의 기어 결합(26)과 연관되고, 통과하는 벨트 기어(20)의 측정된 신호 주파수와 일치될 것이다. 이러한 현상은 벨트 구조물에 적용된 부정확한 장력의 결과로서, 상기 결합(26)의 부적절함에 의해 악화된다. DSP 알고리즘이 포함된 MPU(53)의 다른 부분은 상기 주파수의 발생 및 크기를 모니터하고, 상기 신호를 미리 계산된 작동 가능한 범위와 비교하도록 설계된다. 신호 스레스홀드가 작업 가능 범위를 넘는 경우, 알고리즘이 내장된 MPU(53)는 불완전한 벨트 구동 경보를 발생시킨다.

통과하는 기어(20)로 인해 발생된 신호는 캠샤프트의 비틀림 위상각을 계산(DSP)하는데 이용된다. 데이터는 구동 장치 비틀림 신호로서 수집되고, 벨트 구동 장치의 작동 상태의 변화를 진단하는데 이용될 수 있다.

센서(30)에 내장된 MPU(53)는 DSP 알고리즘을 포함하고, 이는 감지 요소들(36, 37, 38, 42)로부터 파생된 신호들을 모니터하고, 목표 벨트(17) 또는 벨트 구동 장치가 벨트(17) 또는 벨트 구동 장치의 고장에 일조하는 작동 습성을 나타내는지를 판단한다. 고장이 임박한 경우, 알고리즘은 운전자/작업자가 차량을 즉시 서비스해야 하는지를 통지하는데 이용될 수 있는 결함 신호, 또는 다른 조치를 위해 차량 OEM 또는 서비스 제공자에게 전달될 수 있는 결함 신호를 생성한다.

센서(30)는 커넥터(33)를 통해 차량의 와이어 하니스(wire harness)에 연결된다. 내장된 알고리즘은 디지털 네트워크 통신 프로토콜(LIN/CAN)(57)을 이용하여 와이어 하니스를 통해 차량의 엔진 제어 장치(ECU)와 통신한다.

이러한 기능성은 벨트 사용자들(OEMs)에게 다음과 같은 많은 이점을 준다: 즉, 벨트 또는 다른 타이밍 구동 장치의 부품들이 계산된 주행거리에 도달하면 지금까지 처럼 서비스를 받아야할 필요가 있는 경우, 차량이 신호를 발생하게 되는 것과 같이, 서비스 시간 간격들에 대한 비선형적인 접근을 허용한다(구조, 범위 집행을 위한 차량이나 택시와 같은 과도한 순환 주기를 갖는 차량들에 특히 유리하다). 심각한 손상 또는 기능이 손실되기 전에 구동 장치 고장의 신호를 빨리 감지하는 것은, 특히 보증 기간 중에 고장이 난 경우 비용을 크게 절감할 수 있다. 수집된 데이터에 기초하여, 사용자들은 서비스 보고서를 발행하는 등 미리 앞을 내다보고 대응할 수 있다. 수집된 데이터에 기초하여, 사용자들은 타이밍 구동 장치의 사용 기간을 구성하는 노하우 및 구동 장치를 최선으로 설계하는 방법을 가져올 것이다. 벨트들은 더 폭이 좁게 만들어질 것이고, 이로 인해 한 간격 당 몇 mm를 절약할 수 있으며, 이러한 절약들이 쌓일 것이다. 마케팅 도구로서 채용된다면, 본 발명은 벨트 구동 장치가 신뢰성이 없다는 현재의 사고 방식을 줄이거나 제거하고, 차량의 최종 사용자에게 마음의 안정을 줄 것이다. 위에서 언급한 이점들은 또한 산업 벨트 구동 시스템들에도 적용이 가능하다.

Claims (19)

1. 벨트의 일부분이 순간적인 동적 전기 용량 신호들을 생성하기 위해 전기 용량 감지 장치 옆을 이동할 때, 벨트의 일부분의 순간적인 동적 유전체 및 전기 용량 특성들을 감지하는 단계;

   동시에 나타나는 어떠한 정전기 용량 신호들로부터 감지 장치의 적어도 하나의 감지 요소를 통해 생성된 순간적인 동적 전기 용량 신호들을 분리하는 단계;

   순간적인 동적 전기 용량 신호들을 동적 전기 용량 신호의 스레스홀드 레벨과 비교하는 단계; 및

   순간적인 동적 전기 용량 신호들에 의한 동적 전기 용량 신호의 스레스홀드 레벨의 주기적인 이탈에 대응하여 출력 신호를 작동시키는 단계를 포함하는 정상 작동 조건하에서 이동하는 복합 중합체 및 섬유 벨트의 물리적이고 구조적인 상태를 측정하는 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   동적 전기 용량 신호의 스레스홀드 레벨을 이탈하는 순간적인 동적 전기 용량 신호들은 출력 신호를 작동시키기 전에 미리 계산된 시간 주기에 걸쳐 합산되는 것을 특징으로 하는 정상 작동 조건하에서 이동하는 복합 중합체 및 섬유 벨트의 물리적이고 구조적인 상태를 측정하는 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   출력 신호는 경보 신호인 것을 특징으로 하는 정상 작동 조건하에서 이동하는 복합 중합체 및 섬유 벨트의 물리적이고 구조적인 상태를 측정하는 방법.
4. 정상적으로 이동하는 복합 중합체 및 섬유 벨트에 인접하게 위치되고, 벨트가 감지 장치를 지날 때 벨트의 유전체 특성들의 동적 변화들에 대응하여 주기적으로 변하는 전기 신호를 생성하는 적어도 하나의 감지 요소; 및

   적어도 하나의 A/D 컨버터, 마이크로프로세서 및 벨트 유전체의 동적 변화의 스레스홀드 레벨의 주기적인 이탈에 대응하여 출력 신호를 제공하는 수단을 구비한 전기 연산 수단을 포함하는 전기 용량 감지 장치.
5. 제 4항에 있어서,

   복수의 감지 요소들은 벨트의 적어도 일측면 위에 그리고 옆에 무리지어 있는 것을 특징으로 하는 전기 용량 감지 장치.
6. 제 4항에 있어서,

   복수의 감지 요소들은 벨트의 이동 방향을 따른 위치들에서 벨트에 인접하게 이격된 것을 특징으로 하는 전기 용량 감지 장치.
7. 제 4항에 있어서,

   출력 신호는 경보인 것을 특징으로 하는 전기 용량 감지 장치.
8. 벨트의 일부분이 순간적인 동적 신호들을 생성하는 감지 장치 옆을 이동할 때, 벨트의 일부분의 순간적인 동적 정전기장을 감지하는 단계;

   동시에 나타나는 어떠한 정전기 신호들로부터 감지 장치의 적어도 하나의 감지 요소를 통해 생성된 순간적인 동적 신호들을 분리하는 단계;

   순간적인 동적 신호들을 동적 신호의 스레스홀드 레벨과 비교하는 단계; 및

   순간적인 동적 신호들에 의한 동적 신호의 스레스홀드 레벨의 주기적인 이탈에 대응하여 출력 신호를 작동시키는 단계를 포함하는 정상 작동 조건하에서 이동하는 복합 중합체 및 섬유 벨트의 물리적인 상태를 측정하는 방법.
9. 제 8항에 있어서,

   동적 신호의 스레스홀드 레벨을 이탈하는 순간적인 동적 신호들은 출력 신호를 작동시키기 전에 미리 계산된 시간 주기에 걸쳐 합산되는 것을 특징으로 하는 정상 작동 조건하에서 이동하는 복합 중합체 및 섬유 벨트의 물리적인 상태를 측정하는 방법.
10. 제 8항에 있어서,

    출력 신호는 경보 신호인 것을 특징으로 하는 정상 작동 조건하에서 이동하는 복합 중합체 및 섬유 벨트의 물리적인 상태를 측정하는 방법.
11. 정상적으로 이동하는 복합 중합체 및 섬유 벨트에 인접하게 위치되고, 벨트가 감지 장치를 지날 때 벨트의 정전기장의 동적 변화들에 대응하여 주기적으로 변하는 전기 신호를 생성하는 적어도 하나의 감지 요소; 및

    적어도 하나의 A/D 컨버터, 마이크로프로세서 및 벨트의 정전기장의 동적 변화의 스레스홀드 레벨의 주기적인 이탈에 대응하여 출력 신호를 제공하는 수단을 구비한 전기 연산 수단을 포함하는 감지 장치.
12. 제 11항에 있어서,

    복수의 감지 요소들은 벨트의 적어도 일측면 위에 그리고 옆에 무리지어 있는 것을 특징으로 하는 감지 장치.
13. 제 11항에 있어서,

    복수의 감지 요소들은 벨트의 이동 방향을 따른 위치들에서 벨트에 인접하게 이격된 것을 특징으로 하는 감지 장치.
14. 제 11항에 있어서,

    출력 신호는 경보인 것을 특징으로 하는 감지 장치.
15. 벨트의 일부분이 비접촉식 전하 센서 옆을 이동할 때, 벨트의 일부분에 존재하는 압전 결합에 의해 생성되는 전기 전하를 감지하는 단계를 포함하고, 이에 따라 순간적인 벨트 일부분의 전하 밀도에 대응하여 신호가 생성되는 것을 특징으로 하는 정상 작동 조건하에서 이동하는 복합 중합체 및 섬유 벨트의 물리적인 상태 및 악화를 측정하는 방법.
16. 제 15항에 있어서,

    신호는 전하 밀도에 비례하는 것을 특징으로 하는 정상 작동 조건하에서 이동하는 복합 중합체 및 섬유 벨트의 물리적인 상태 및 악화를 측정하는 방법.
17. 제 15항에 있어서,

    지정된 스레스홀드 레벨을 이탈하는 선택된 시간 주기에 걸쳐 생성된 신호들은 출력 신호를 작동시키기 전에 합산되는 것을 특징으로 하는 정상 작동 조건하에서 이동하는 복합 중합체 및 섬유 벨트의 물리적인 상태 및 악화를 측정하는 방법.
18. 제 17항에 있어서,

    출력 신호는 경보 신호인 것을 특징으로 하는 정상 작동 조건하에서 이동하는 복합 중합체 및 섬유 벨트의 물리적인 상태 및 악화를 측정하는 방법.
19. 벨트의 이동 방향과 나란히 배열되고, 상기 벨트의 이동 방향과 수직이며, 상기 벨트의 이동 방향과 평행한 면에 위치되는 적어도 하나의 전기전도성 감지 요소를 포함하고,

    그 결과 상기 감지 요소는 적어도 일부분이 상기 벨트의 일부분을 둘러싸도 록 구성된 것을 특징으로 하는 감지 장치.

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