KR100273101B1

KR100273101B1 - A high sensitivity accelerometer.

Info

Publication number: KR100273101B1
Application number: KR1019970075000A
Authority: KR
Inventors: 김영덕; 정우철
Original assignee: 홍상복; 포스코신기술연구조합; 신현준; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 1997-12-27
Filing date: 1997-12-27
Publication date: 2000-12-01

Abstract

PURPOSE: A high power shearing type acceleration sensor is provided to be capable of enabling high power acceleration sensing by positioning two inertia masses between a center supporter and coupling jigs and mounting four piezoelectric elements on both sides of the two inertia masses. CONSTITUTION: Two coupling jigs(4), two hexagonal inertia mass(6) and four rectangular piezoelectric elements(7) are aligned and then are fastened with a constant torque of about 4kgf-cm by using fixing bolts(15) and fixing nuts(14). The piezoelectric elements(7) are disposed on both sides of respective inertia mass(6). Further, the respective coupling jigs(4) are disposed on both sides of a center supporter(3) and between two inertia mass(6) having the piezoelectric elements(7) on its both sides for coupling the inertia mass and the piezoelectric elements.

Description

High Power Shear Acceleration Sensor

본 발명은 고출력 가속도센서의 구조에 관한 것으로써, 보다 상세히는 전단형 가속도센서의 제조시 관성질량을 압전소자와 결합치구 사이에 위치시켜 기존의 델타 시어 타입에서 보다 많은 수의 압전소자를 체결함으로써 출력의 향상을 가져오며, 그 조립 작업성을 개선시킨 고출력 전단형 가속도센서에 관한 것이다.The present invention relates to a structure of a high output acceleration sensor, and more particularly, by placing an inertial mass between a piezoelectric element and a coupling jig in the manufacture of a shear type acceleration sensor by fastening a larger number of piezoelectric elements in a conventional delta shear type. The present invention relates to a high output shear type accelerometer which has improved output and improved assembly workability.

산업 현장에서 사용되는 회전기계의 경우 회전수가 1800RPM 이하가 대부분이므로, 그의 진동의 주파수는 30Hz미만이어서 진동의 크기가 상당히 작다.In the case of rotary machines used in industrial sites, since the rotation speed is mostly 1800 RPM or less, the frequency of the vibration is less than 30 Hz, so the magnitude of vibration is quite small.

이러한 회전체의 진동가속도를 검출하기 위한 가속도 센서는 보통의 경우 고출력을 위해 압전소자의 크기를 크게 하거나 관성 질량을 무겁게 하여 제조한다. 이 경우, 가속도 센서 전체의 크기가 커지게 되어 기계 내부에 취부 하기 곤란한 경우도 발생한다.An acceleration sensor for detecting vibration acceleration of such a rotating body is usually manufactured by increasing the size of the piezoelectric element or increasing the inertial mass for high power. In this case, the size of the entire acceleration sensor becomes large, which makes it difficult to mount it inside the machine.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 센서의 크기와 무관하게 압전소자의 개수를 늘리는 방법을 통하여 센서출력을 높일 수 있으며, 외부 진동에 비례하여 발생한 전하를 전압으로 변환시키는 임피던스 변환기부에 증폭회로를 설치하여 고출력을 얻을 수 있다.In order to solve this problem, the sensor output can be increased by increasing the number of piezoelectric elements irrespective of the size of the sensor, and an amplification circuit is installed in the impedance converter unit that converts the charge generated in proportion to external vibration to a high output. Can be obtained.

도 1은 종래의 델타 시어 타입 가속도 센서의 구성도로써, 압전소자(23)와 관성 질량(21) 그리고 중앙 지지대(24)를 형상 기억 합금으로 제조된 고정 링(22)을 사용하여 결합함으로써 베이스 벤딩(Bending) 현상을 방지함과 동시에 압전소자를 3개를 사용할 수 있어 고출력을 얻고 있다.1 is a configuration diagram of a conventional delta shear type acceleration sensor, and the piezoelectric element 23, the inertial mass 21, and the center support 24 are joined using a fixing ring 22 made of a shape memory alloy. In addition to preventing bending, three piezoelectric elements can be used to obtain high output.

도 2는 도 1의 A-A′단면 구조도로써, 가속도 센서의 베이스(25)와 중앙 지지대 밑판(32)사이에 절연 에폭시와 절연 세라믹을 알맞은 비율로 석어 약 1㎜ 정도의 두께로 바른 후 섭씨 150℃에서 약 30분간 가열경화 하여 외부와 가속도 센서 내부를 절연하는 절연층을 형성한다.FIG. 2 is a cross-sectional view of the AA ′ cross-section of FIG. 1, in which an insulating epoxy and an insulating ceramic are applied at an appropriate ratio between a base 25 of the accelerometer and a base support base plate 32 at a thickness of about 1 mm, and then 150 ° C. Heat-cure at about 30 minutes to form an insulating layer that insulates the outside from the acceleration sensor.

앞의 공정을 거친 부품 위에 중앙 지지대(24)를 설치하고, 관성 질량(21)과 압전소자(23)를 저온 처리한 고정 링(22)로 둘러싼 다음 온도를 가하여 완전히 결합 되도록 한 다음, 압전소자(23)의 전극을 입피던스 변환기(5)에 연결하여 체결된 관성 질량(21) 위에 고온용 접착제를 사용하여 접착한다.The center support 24 is installed on the components subjected to the above process, the inertial mass 21 and the piezoelectric element 23 are surrounded by a fixed ring 22 which has been subjected to low temperature, and then the temperature is applied so that they are completely combined, and then the piezoelectric element The electrode of (23) is connected to the impedance transducer (5) and bonded using a high temperature adhesive on the fastened inertial mass (21).

이후 내부 신호선(27)을 외부신호선(29)을 가지는 콘넥터(30)에 연결하고 가속도 센서 하우징(31)을 씌워 방수 처리하여 접합한다.Thereafter, the internal signal line 27 is connected to the connector 30 having the external signal line 29 and the waterproof sensor is bonded to cover the acceleration sensor housing 31.

그러나 이와 같은 형태로 제조되는 종래의 센서는 압전소자(23) 3개가 관성질량(21)과 중앙지지대(24) 사이에 고정링(22)를 이용하여 체결하는 방식으로되어 있어 형상 기억 합금과 같은 특수 소재를 사용하여야 하며, 또한 관성 질량(21)의 형태가 원의 1/3에 해당하는 호를 갖는 형태로 되어있어 텅스텐을 사용하여 제작시 어려움이 따른다.However, in the conventional sensor manufactured in such a form, three piezoelectric elements 23 are fastened between the inertial mass 21 and the center support 24 by using a fixing ring 22, such as a shape memory alloy. Special materials should be used, and the inertial mass 21 is in the form of an arc corresponding to one-third of the circle, which makes it difficult to manufacture using tungsten.

본 발명의 목적은 전단형 가속도 센서에 있어서, 정육면체의 관성 질량체 두 개를 중앙 지지대와 결합을 위한 치구 사이에 위치시키고 상기 관성질량체 양쪽에 압전소자 4개를 설치할 수 있도록 하여 고출력의 가속도 센싱을 가능하게 하는 전단형 가속도 센서를 제공하는데 있다.An object of the present invention, in the shear type acceleration sensor, two inertial masses of the cube is placed between the jig for coupling with the central support and four piezoelectric elements can be installed on both sides of the inertial mass to enable high-power acceleration sensing It is to provide a shear type acceleration sensor.

도 1은 종래의 델타 시어 타입(Delta Shear Type)가속도 센서의 평면 구조도이다.1 is a plan view of a conventional Delta Shear type acceleration sensor.

도 2는 도 1의 A-A'선 단면 구조도이다.FIG. 2 is a cross-sectional structural view taken along the line AA ′ of FIG. 1.

도 3은 본 발명에 따른 전단형 가속도 센서의 평면 구조도이다3 is a planar structural diagram of a shear type acceleration sensor according to the present invention.

도 4는 도 3의 A-A'선 단면 구조도이다.4 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 3.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명** Explanation of symbols on the main parts of the drawing *

1 : 센서 베이스 2 : 절연층1 sensor base 2 insulation layer

3 : 중간지지대 4 : 결합치구3: intermediate support 4: joining jig

5 : 임피던스 변환기 6 : 관성질량5: impedance converter 6: inertial mass

7 : 압전소자 8 : 내부 신호선7: piezoelectric element 8: internal signal line

9 : 동축케이블 10 : 외부신호선9: coaxial cable 10: external signal line

11 : 콘넥터 12 : 센서 하우징11 connector 12 sensor housing

13 : 밑판 14 : 너트13: base plate 14: nut

15 : 고정볼트15: Fixing bolt

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 전단형 가속도 센서를 설명하면 다음과 같다.Referring to the accompanying drawings, the shear acceleration sensor of the present invention will be described.

도 3에서 참고되는 바와 같이 본 발명 센서구조는 결합 치구(4) 2개와 육면체 형태의 관성질량(6) 2개 그리고 사각 형태의 압전소자(7) 4개를 정열한 다음 고정 볼트(15)와 고정너트(14)을 이용하여 4kgf-cm의 일정한 토크로 체결하는 구조를 가진다.As shown in FIG. 3, the sensor structure of the present invention aligns two coupling jig 4, two inertia mass 6 in the form of a cube, and four piezoelectric elements 7 in the form of a square, and then fixes the bolt 15. The fixing nut 14 has a structure of fastening with a constant torque of 4kgf-cm.

도 4는 도 3의 A-A′선 단면도를 나타낸 것으로, 여기에는 가속도 센서의 베이스(1)와 중앙지지대 밑판(13) 사이에 절연 에폭시와 절연 세라믹을 알맞은 비율로 섞어 약 1mm정도의 두께로 바른후 섭씨 150℃에서 약 30분간 가열경화하여 절연층(2)을 형성하여 주는 것으로 외부와 가속도 센서 내부를 절연 시킨 것을 보이고 있다.4 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 3, wherein an insulating epoxy and an insulating ceramic are mixed between the base 1 of the accelerometer and the base support base plate 13 at an appropriate ratio and coated to a thickness of about 1 mm. It has been shown to insulate the outside and the interior of the acceleration sensor by forming an insulating layer 2 by heating and curing at 150 ° C. for about 30 minutes.

이어서 앞의 공정을 거친 부품위에 베이스로 전달된 외부의 진동을 압전소자로 전달하는 중앙 지지대(3)를 설치하고 관성 질량(6)과 압전소자(7)를 결합치구(4)를 이용하여 정열한 다음 고정볼트(15)를 이용하여 압전소자(7)과 관성질량(6) 그리고 결합 치구(4)를 일정한 토크로 체결한다.Subsequently, a central support 3 for transmitting external vibrations transmitted to the base to the piezoelectric element is installed on the parts subjected to the above process, and the inertial mass 6 and the piezoelectric element 7 are aligned using the coupling jig 4. Then, the fixing bolt 15 is used to fasten the piezoelectric element 7, the inertial mass 6, and the coupling jig 4 with a constant torque.

상기 치구(4)는 중앙지지대와 압전소자와 관성질량을 결합시키는 기능을 한다.The jig 4 functions to couple the central support, the piezoelectric element, and the inertial mass.

외부의 진동에 비례하여 발생하는 전하를 전압형태로 변환시켜주는 회로로 구성된 임피던스 변환기(5)에 전극을 연결한 후 결합치구(4) 위에 고온용 접착제를 사용하여 접착한다.After connecting the electrode to the impedance converter (5) consisting of a circuit for converting the charge generated in proportion to the external vibration in the form of a voltage, it is bonded using a high temperature adhesive on the coupling jig (4).

내부 신호선(8)을 콘넥터(11)에 연결하고 가속도 센서 하우징(12)을 방수 처리하여 접합한 다음 마지막으로 동축케이블(9)의 외부신호선(10)을 이용하여 외부 시스템에 연결한다.The internal signal line 8 is connected to the connector 11, the acceleration sensor housing 12 is waterproofed and bonded, and finally, the external signal line 10 of the coaxial cable 9 is connected to the external system.

이러한 구조의 본 발명 전단형 가속도 센서는 기존의 델타 시어 타입과는 달리 압전소자 4개를 사용함으로 기존의 방법에 비해 고출력을 얻을 수 있게 되며, 그 조립작업에 별도의 분위기 조건을 요구하지 않으므로 조립작업성이 우수하게 된다.The shear type acceleration sensor of the present invention has a high output compared to the conventional method by using four piezoelectric elements, unlike the existing delta shear type, and does not require a separate atmosphere condition for the assembly work. Workability is excellent.

가속도 센서의 출력 값과 압전소자 개수와의 관계식을 다음과 같다.The relation between the output value of the acceleration sensor and the number of piezoelectric elements is as follows.

Q = nd₁₅m_saQ = nd ₁₅ m _s a

여기서 Q: 출력 전하 값(pC/g), n은 압전소자 개수, d15는 압전 전하 상수(pC/g) 그리고 a 는 가속도 값이다.Where Q is the output charge value (pC / g), n is the number of piezoelectric elements, d15 is the piezoelectric charge constant (pC / g), and a is the acceleration value.

상기 식에서 주어진 것과 같이 압전소자 개수(n)가 증가될수록 가속도 센싱출력 값이 비례하여 커짐을 알 수 있다.As given in the above formula, as the number of piezoelectric elements n increases, the acceleration sensing output value increases proportionally.

또한 본 발명에서는 관성 질량이 정육면체의 형태를 가짐으로 텅스텐을 가공 시 문제점이 전혀 없으며, 고정치구를 일반적인 스텐레스강을 사용하여 치구를 제작하여 볼트를 사용하여 결합함으로써 종래의 경우처럼 제조조립시 저온 처리를 하는 등의 공정을 줄일 수 있어 원가 절감에 상당한 기여를 한다.In addition, in the present invention, since the inertial mass has the shape of a cube, there is no problem when machining tungsten, and a fixed jig is manufactured by using a stainless steel, and a jig is manufactured by using a bolt to combine the cold jig at a low temperature during manufacturing and assembly. Process can be reduced, making a significant contribution to cost reduction.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 전단형 가속도 센서를 제조조립할 때 형상기억 합금의 복원력을 이용한 조립시의 저온처리 등 특별한 부가공정을 생략시킬수 조립 생산성이 증진되고, 또한 직접 볼트를 사용하여 압전소자와 중앙지지대 그리고 관성질량을 일정한 토크로 체결함으로써 출력특성이 우수하게 되며, 다수의 압전소자를 사용함에 따라 고 출력이 얻어지게 된다.As described above, the present invention can omit a special additional step such as low temperature treatment during assembly by using the restoring force of the shape memory alloy when fabricating and assembling the shear type acceleration sensor, thereby increasing the assembly productivity and directly using the piezoelectric element using a bolt. The output characteristics are excellent by fastening the center support and the inertial mass with a constant torque, and high output is obtained by using a plurality of piezoelectric elements.

Claims

Piezoelectric elements 7 are arranged on both sides of the inertia mass 6 of the pair of cubes, and two jigsaw masses having piezoelectric elements on both sides of the intermediate support 3 are interposed therebetween. The high output shear type acceleration sensor which arrange | positions (4) and is bolted by fixed torque at both sides of the said jig | tool is comprised.

2. The high power shear type according to claim 1, wherein an insulating layer is formed by mixing and curing ceramic and epoxy to maximize the insulation and vibration transfer between the base of the piezoelectric element and the bottom plate of the center support when casing the acceleration sensor. Acceleration sensor.