KR100912400B1 - 다용도 가속도계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다용도 가속도계에 관한 것으로서, 하우징의 상면을 개방하여 개방된 상면을 통해 노출되는 관성질량의 상면에 체결홀을 형성하고, 이 체결홀을 이용해 조립되는 다양한 구조의 타격용 팁이나 추가적인 관성질량을 포함하여 구성함으로써, 진동 및 가속도 센서뿐만 아니라 진동발생기, 그리고 하중 검출을 위한 힘 변환기 등의 다양한 용도로 사용할 수 있으며, 관성질량 추가 등과 같은 구성의 변경이나 적용 확대를 용이하고 다양하게 실시할 수 있는 다용도 가속도계에 관한 것이다.

가속도계, 압전소자, 관성질량, 다용도, 힘 변환기, 진동발생기

Description

다용도 가속도계{Multi-Purpose Accelerometer}

본 발명은 다용도 가속도계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하우징의 상면을 개방하여 개방된 상면을 통해 노출되는 관성질량의 상면에 체결홀을 형성하고, 이 체결홀을 이용해 조립되는 다양한 구조의 타격용 팁이나 추가적인 관성질량을 포함하여 구성함으로써, 진동 및 가속도 센서뿐만 아니라 진동발생기, 그리고 하중 검출을 위한 힘 변환기 등의 다양한 용도로 사용할 수 있으며, 관성질량 추가 등과 같은 구성의 변경이나 적용 확대를 용이하고 다양하게 실시할 수 있는 다용도 가속도계에 관한 것이다.

인간이 산업용 기계를 제작한 이래, 특히 이러한 기계에 동력을 공급하기 위하여 모터를 사용한 때부터 진동 감소 및 방진의 문제는 엔지니어들에게 큰 관심사가 되어 왔다.

기계설계에 있어서 진동 절연 및 감소 기술의 중요성이 높아지면서, 먼저 진동의 정확한 측정 및 분석이 요구되었으며, 이러한 요구는 초창기 기계설계에 있어 서는 안정성과 내구성만을 중시하였기 때문에 설계자의 경험적인 감각이나 진동 변위를 측정하는 간단한 광학 기구만으로도 충분히 만족되었다.

그러나, 오늘날 현대의 복잡한 고속 기계류의 조사에는 보다 정밀한 측정기법이 요구되므로 진동을 전기적인 신호로 변환시키는 압전형 가속도계가 개발되어 널리 사용되고 있는 상태이다.

압전형 가속도계는 압전소자(piezoelectric materials)의 역학적 성질을 전기적 성질로 변환시키는 효과를 이용하는 것으로, 압전소자의 극성방향에 대해 힘을 가하면 양쪽 면에 전하가 발생하고, 이에 의해 전위차가 생기면 이 전위차는 가한 힘의 세기에 비례하므로 정확한 진동량을 측정할 수 있다.

즉, 진동하는 계(system)에 측정하고자 하는 방향으로 가속도계를 부착하게 되면 가속도계 내의 관성질량이 압전소자에 관성력을 전달하게 되어 압전소자는 기계적 변형을 일으킨다.

이때 압전소자의 양단에 입혀진 얇은 전극판 위에 압전소자의 변형량에 비례하는 전하 밀도가 발생하는데, 이것은 가속도에 비례하는 값을 가지며, 이러한 성질을 이용하여 가속도를 측정하게 되는 것이다.

첨부한 도 1은 종래의 압전형 가속도계를 도시한 내부 구성도로서, 압전형 가속도계에서도 관성질량이 압전소자에 압축력을 가하는 형식의 압축형 가속도계를 나타낸 것이다.

도시한 바와 같이, 가속도계(10)는 일측에 전기적 신호의 출력을 위한 접속포트(12)가 구비된 베이스(11), 상기 베이스(11) 상측으로 조립된 압전소자(13), 상기 압전소자(13) 상측으로 조립된 관성질량(14), 상기 압전소자(13)와 관성질량(14)을 둘러싸는 하우징(15)을 기본 구성으로 한다.

여기서, 압전소자(13)에서 발생한 전기적 신호가 접속포트(12)의 내부 접속단자를 통하여 출력될 수 있도록 압전소자(13)와 접속포트(12)의 내부 접속단자는 와이어(16)에 의해 연결되어 있다.

이에 따라, 접속포트(12)에 외부측정장치의 케이블(17)을 접속시키면 압전소자(13)에서 발생한 전기적 신호가 케이블(17)을 통해 외부측정장치(도시하지 않음)로 입력되고, 외부측정장치에서 케이블(17)을 통해 입력되는 전기적 신호가 증폭기 등을 포함하는 독출회로에서 증폭된 뒤 측정 신호로 이용되게 된다.

그러나, 상기와 같은 종래의 가속도계는 내부가 외부 하우징에 의해 완전 밀폐된 밀폐형이거나, 구조적인 특성상 추가적인 부품의 조립이 불가한 구조로 되어 있어서, 압전효과를 이용한 진동 및 가속도 센서로만 사용할 수 있는 등 다른 용도를 위한 응용이 어렵게 되어 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 하우징의 상면을 개방하여 개방된 상면을 통해 노출되는 관성질량의 상면에 체결홀을 형성하고, 이 체결홀을 이용해 조립되는 다양한 구조의 타격용 팁이나 추가적인 관성질량을 포함하여 구성함으로써, 진동 및 가속도 센서뿐만 아니라 진동발생기, 그리고 하중 검출을 위한 힘 변환기 등의 다양한 용도로 사용할 수 있으며, 관성질량 추가 등과 같은 구성의 변경이나 적용 확대를 용이하고 다양하게 실시할 수 있는 다용도 가속도계를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 일측에 전기적 신호의 입/출력을 위한 접속포트가 구비된 베이스와, 상기 베이스 상측으로 조립된 압전소자와, 상기 압전소자 상측으로 조립된 관성질량과, 상기 압전소자와 관성질량을 측면에서 둘러싸도록 상기 베이스에 일체로 설치된 상면 개방형의 하우징으로 구성되고, 상기 하우징의 개방된 상면을 통해 노출되는 관성질량의 상면 중앙에 별도 부품의 체결이 가능하도록 나사산이 형성된 체결홀이 형성된 것을 특징으로 하는 다용도 가속도계를 제공한다.

여기서, 상기 관성질량의 상면에 돌출되도록 고정되어 외부로부터 작용하는 하중을 관성질량에 전달하는 팁을 더 포함하고, 상기 팁은 상기 관성질량의 체결홀 에 체결되는 볼트형상부가 형성되어 이 볼트형상부가 상기 체결홀에 체결됨으로써 고정되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에서, 상기 관성질량의 상면에 상기 팁이 고정된 상태에서 베이스의 하면에 형성된 체결홀에 임팩트 해머의 볼트가 체결됨으로써 임팩트 해머에 고정되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 하우징의 상단부에 내부가 밀폐되도록 나사체결되는 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 관성질량의 체결홀에 진동을 요하는 물체나 구조물의 볼트가 체결되어 상기 물체나 구조물이 관성질량에 결합되고, 상기 압전소자가 구동될 수 있도록 상기 접속포트에 접속된 케이블이 교류전류를 인가하는 외부의 전원공급부에 연결된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 관성질량의 상측에 추가로 적층 고정되는 하나 또는 둘 이상의 관성질량을 더 포함하고, 상기 추가로 적층 고정되는 관성질량들은 한쪽 면 중앙에 볼트형상부가 형성되고 반대쪽 면 중앙에 나사산이 가공된 체결홀이 형성된 구조로 제작되어, 전체 관성질량들이 볼트형상부와 체결홀의 결합에 의해 상호 고정되는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 본 발명의 다용도 가속도계에 의하면, 하우징의 상면을 개방하여 개방된 상면을 통해 노출되는 관성질량의 상면에 체결홀을 형성하고, 이 체 결홀을 이용해 조립되는 다양한 구조의 타격용 팁이나 추가적인 관성질량을 포함하여 구성함으로써, 진동 및 가속도 센서뿐만 아니라 진동발생기, 그리고 하중 검출을 위한 힘 변환기 등의 다양한 용도로 사용할 수 있으며, 관성질량 추가 등과 같은 구성의 변경이나 적용 확대를 용이하고 다양하게 실시할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 가속도계의 내부 구성을 도시한 단면도이다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 가속도계(100)는 일측에 전기적 신호의 입/출력을 위한 접속포트(120)가 구비된 베이스(110)와, 상기 베이스(110) 상측으로 조립된 압전소자(130)와, 상기 압전소자(130) 상측으로 조립된 관성질량(140)과, 상기 압전소자(130)와 관성질량(140)을 측면에서 둘러싸도록 상기 베이스(110) 상부에 일체로 형성된 상면 개방형의 하우징(150)을 기본 구성으로 한다.

여기서, 상기 압전소자(130)와 상기 접속포트(120) 내 접속단자는 와이어(160)에 의해 서로 연결되어 압전소자(130)에서 발생한 전기적 신호가 접속포트(120) 내 접속단자를 통하여 외부로 출력될 수 있게 되어 있다.

이에 따라, 접속포트(120)에 외부측정장치(도시하지 않음)의 케이블(170)을 접속시키면 압전소자(130)에서 발생한 전기적 신호가 케이블(170)을 통해 외부측정장치로 입력될 수 있고, 외부측정장치에서 케이블(170)을 통해 입력되는 전기적 신 호는 증폭기 등을 포함하는 독출회로에서 증폭된 뒤 측정 신호로 이용되게 된다.

그리고, 상기 하우징(150)은 측면이 압전소자(130)와 관성질량(140)을 둘러싸는 원통형으로 형성되어 있으며, 내부에 수용된 관성질량(140)의 상면이 노출될 수 있는 구조, 즉 하우징 상면이 개방된 구조로 되어 있다.

이러한 상면 개방형 구조의 하우징(150)에는 필요에 따라 개방된 상면을 덮을 수 있는 커버가 조립될 수 있으며, 상기 커버는 도 2에 도시하지는 않았으나, 일 예로 하우징(150) 상단부의 내주면 또는 외주면에 나사산을 형성하고, 대응되는 커버의 외주면 또는 내주면에 나사산을 형성하여, 커버가 하우징(150) 상단부에 나사체결방식으로 조립될 수 있게 구성할 수 있다(도 3 참조).

본 발명의 가속도계(100)를 단순히 진동 및 가속도 센서로만 사용할 경우에는 상기 커버를 하우징(150)에 조립한 상태에서 내부를 밀폐시켜 사용할 수 있으나, 후술하는 바와 같이 힘 변환기(force transducer) 등으로 사용할 경우에는 커버를 제거한 상태에서 사용해야 한다(도 4 참조).

한편, 베이스(110)의 하면에는 외부 장치나 기구, 부품, 구조물 등에 용이하게 부착될 수 있도록 나사산이 형성된 체결홀(111)이 형성되어 있으며, 상기 관성질량(140)의 경우에도 상면 중앙에 별도의 추가적인 부품이 용이하게 조립될 수 있도록 나사산이 형성된 체결홀(141)이 형성된다.

상기 관성질량(140)은 베이스(110)에 설치되어 압전소자(130)를 관통하는 체결볼트(112)에 조립되어 고정되는데, 이 체결볼트(112)는 베이스(110) 상부면 중앙에서 압전소자(130)의 중앙부를 관통하여 관성질량(140)의 하부면 중앙에 형성된 볼트체결홀(142)에 체결되게 된다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 가속도계에 커버가 조립된 상태를 도시한 도면으로, 본 발명의 가속도계(100)를 진동 및 가속도 센서로 사용할 경우에는 도시한 바와 같이 하우징(150)에 커버(151)를 조립한 상태에서 내부를 밀폐시켜 사용하거나, 커버를 제거한 상태(도 2 참조)로도 사용할 수 있다.

이때 가속도계(100)는 진동측정대상물이나 별도 고정부(1)에 고정하여 사용할 수 있으며, 진동측정대상물이나 고정부(1)의 볼트(2)를 베이스(110)의 체결홀(111)에 체결하여 고정시킨다.

그리고, 도시한 본 발명의 가속도계(100)는 압전구동형 진동발생기로도 사용 가능한데, 관성질량(140)의 체결홀(141)에 진동을 요하는 물체나 구조물의 볼트를 체결하여 이들을 가속도계(100)에 결합시키고, 접속포트(120)에 접속된 케이블(170)을 외부의 전원공급부(도시하지 않음)에 연결한 뒤 이 전원공급부에 의해 교류전류가 인가되도록 하게 되면, 압전소자(130)에 교류전류가 인가되면서 진동이 발생하고, 이때 발생한 진동이 관성질량(140)을 통해 외부 물체나 구조물로 전달되게 된다.

첨부한 도 4는 본 발명의 가속도계에 팁을 조립하여 힘 변환기로 사용하는 예를 나타낸 도면으로, 도시한 바와 같이 본 발명의 가속도계(100)는 관성질량(140) 상면에 고정되어 외부로부터 작용하는 하중을 관성질량(140)에 전달하는 다양한 형상의 팁(180)을 포함하여 구성될 수 있다.

즉, 관성질량(140)의 체결홀(141)에 팁(180)의 볼트형상부(181)를 체결하여 팁(180)을 관성질량(140)의 상면에 상방 돌출된 상태가 되도록 고정한 뒤 본 발명의 가속도계(100)를 힘 변환기로 사용하는 것이다.

일 예로, 본 발명의 가속도계(100)를 타격장치(도시하지 않음)의 임팩트 해머(3)에 고정한 뒤 임팩트 해머의 임팩트 동작시에 가속도계(100)의 팁(이하, 타격용 팁이라 칭함)(180)이 타격 대상을 타격하도록 하며, 이때 외부측정장치가 힘 변환기, 즉 가속도계(100)의 압전소자(130)에서 발생하는 전기적 신호를 충격하중으로 변환하게 된다.

이를 위해 임팩트 해머(3)의 볼트(4)를 베이스(110)의 체결홀(111)에 체결하여 가속도계(100)를 임팩트 해머(3)에 고정한 뒤, 타격용 팁(180)이 타격 대상을 타격하도록 임팩트 해머(3)를 동작시킨다.

이와 같이 힘 변환기로 사용되는 가속도계(100)는 충격시험의 대상이 되는 특정 제품에 임팩트 해머(3)로 충격을 가하여 제품의 강성이나 응답특성을 시험할 때 사용할 수 있는데, 시험시에는 제품의 패널이나 특정 부위의 표면에 소정의 충격하중을 가해주어야 하므로 원하는 충격하중이 가해지도록 타격장치에 의해 가해지는 충격하중을 조정해주는 작업 등이 필요하다.

이와 같이 타격장치의 충격하중을 교정함에 있어서 임팩트 해머(3)가 임시 타격 대상에 가하는 충격하중을 정확히 측정하기 위해 본 발명의 가속도계(100)가 충격하중 측정을 위한 힘 변환기 용도로 사용될 수 있으며, 실제 시험시에도 제품에 가해지는 충격하중을 측정하는데 사용될 수 있다.

즉, 관성질량(140)에 타격용 팁(180)을 조립한 뒤 임팩트 해머(3)를 동작시 켜 상기 타격용 팁(180)이 교정용 임시 타격 대상을 타격하도록 한 뒤 압전소자(130)에서 발생한 전기적 신호로부터 충격하중을 측정하거나, 실제 시험시에 임팩트 해머(3)를 동작시켜 상기 타격용 팁(180)이 제품의 표면을 타격하도록 한 뒤 압전소자(130)에서 발생한 전기적 신호로부터 제품에 가해지는 충격하중을 측정하는 것이다.

그 밖에 특정 장치나 기구의 구동부가 가하는 충격하중을 측정하는데 사용할 수도 있으며, 이 경우에 가속도계를 고정부에 볼트체결방식으로 고정(베이스를 고정부의 볼트에 체결하여 고정)한 뒤, 구동부가 가속도계의 타격용 팁을 타격하도록 하고, 이때 압전센서에서 발생하는 전기적 신호를 토대로 구동부가 가하는 충격하중을 측정하게 된다.

관성질량(140)에 조립되는 타격용 팁(180)은 도시한 예와 같은 볼트형상부(181)가 형성된 반구형 팁 또는 볼트형상부가 형성된 그 밖의 다양한 구조의 팁을 사용할 수 있으며, 관성질량(140)의 체결홀(141)에 다양한 구조의 팁을 조립한 뒤 이 팁에 힘 또는 충격을 가하거나 팁에 구조물을 체결하여 구조물로부터 전해지는 진동 또는 하중을 측정하는데 본 발명의 가속도계를 사용할 수 있다.

그리고, 첨부한 도 5는 본 발명의 가속도계에서 복수개의 관성질량(140a,140b)을 연결하여 사용한 예를 나타낸 도면이며, 도시한 바와 같이 필요에 따라서는 관성질량 복수개를 적층 연결하여 사용할 수 있다.

이때 하우징(150) 내에 이미 설치되어 있는 관성질량(140a)의 상측에 추가로 조립되어지는 관성질량(140b)은 한쪽 면 중앙에 볼트형상부(143)가 형성되고 반 대쪽 면 중앙에는 나사산이 가공된 체결홀(144)이 형성된 구조로 제작된다.

조립시에는, 두 관성질량(140a,140b)의 대응면끼리, 즉 기 설치된 관성질량(하측의 관성질량)(140a)의 상면과 추가 조립되는 관성질량(상측의 관성질량)(140b)의 하면끼리 서로 밀착되도록, 추가 조립되는 관성질량(140b)의 볼트형상부(143)를 기 설치된 관성질량(140a)의 체결홀(141)에 볼트 체결하는 방식으로 체결하여 두 관성질량(140a,140b)을 일체화하며, 반대쪽 면의 체결홀(144)에 또 다른 관성질량의 볼트형상부를 체결하는 방식으로 관성질량을 원하는 수만큼 조립하게 된다.

여기서, 가속도계(100)를 힘 변환기나 로드 셀 용도로 사용할 경우에는 마지막에 조립된 관성질량(140b)의 체결홀(144)에 도 4에 도시한 바와 같이 팁을 조립하여 사용한다.

관성질량 복수개를 적층 연결하여 사용하는 경우에서, 상호 조립되는 두 관성질량(140a,140b)을 더욱 견고히 일체화시키고 일체성을 좋게 하기 위하여, 추가 조립되는 각 관성질량에는 한쪽 면에 볼트형상부(143)를 중심으로 하는 링 형의 돌기를 형성하고, 반대쪽 면에는 체결홀(144)을 중심으로 하는 링 형의 홈을 형성하여, 두 관성질량(140a,140b)이 서로 조립될 때 한쪽 관성질량의 링 형 돌기가 다른 쪽 관성질량의 링 형 홈에 끼워지면서 결합되도록 하여 완전히 일체화되도록 하는 것도 가능하다.

물론, 압전소자(130) 상측으로 설치되어 하우징(150) 내부에 넣어지는 관성질량(140a)의 경우, 그 상면 즉 또 다른 관성질량(140)이 추가로 조립되는 상면에, 상측 관성질량(140b)의 돌기가 끼워질 수 있도록 대응 위치에 링 형의 홈을 형성한다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 가속도계는 진동 및 가속도 센서뿐만 아니라 진동발생기, 그리고 충격하중 등을 측정하기 위한 센서, 즉 상술한 힘 변환기(로드 셀) 등의 다양한 용도로 사용할 수 있으며, 관성질량을 쉽게 추가할 수 있는 등 구성을 다양하게 변경할 수 있다.

도 1은 종래의 압전형 가속도계를 도시한 내부 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 가속도계의 내부 구성을 도시한 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 가속도계에 커버가 조립된 상태를 도시한 도면,

도 4는 본 발명의 가속도계에 타격용 팁을 조립하여 힘 변환기로 사용하는 예를 나타낸 도면,

도 5는 본 발명의 가속도계에서 다수개의 관성질량을 연결하여 사용한 예를 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 베이스 120 : 접속포트

130 : 압전소자 140 : 관성질량

150 : 하우징 180 : 팁

Claims (6)

1. 일측에 전기적 신호의 입/출력을 위한 접속포트가 구비된 베이스와, 상기 베이스 상측으로 조립된 압전소자와, 상기 압전소자 상측으로 조립된 관성질량과, 상기 압전소자와 관성질량을 측면에서 둘러싸도록 상기 베이스에 일체로 설치된 상면 개방형의 하우징으로 구성되고,

   상기 하우징의 개방된 상면을 통해 노출되는 관성질량의 상면 중앙에 별도 부품의 체결이 가능하도록 나사산이 형성된 체결홀이 형성된 것을 특징으로 하는 다용도 가속도계.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 관성질량의 상면에 돌출되도록 고정되어 외부로부터 작용하는 하중을 관성질량에 전달하는 팁을 더 포함하고,

   상기 팁은 상기 관성질량의 체결홀에 체결되는 볼트형상부가 형성되어 이 볼트형상부가 상기 체결홀에 체결됨으로써 고정되는 것을 특징으로 하는 다용도 가속도계.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 관성질량의 상면에 상기 팁이 고정된 상태에서 베이스의 하면에 형성된 체결홀에 임팩트 해머의 볼트가 체결됨으로써 임팩트 해머에 고정되는 것을 특징으로 하는 다용도 가속도계.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 하우징의 상단부에 내부가 밀폐되도록 나사체결되는 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다용도 가속도계.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 관성질량의 체결홀에 진동을 요하는 물체나 구조물의 볼트가 체결되어 상기 물체나 구조물이 관성질량에 결합되고, 상기 압전소자가 구동될 수 있도록 상기 접속포트에 접속된 케이블이 교류전류를 인가하는 외부의 전원공급부에 연결된 것을 특징으로 하는 다용도 가속도계.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 관성질량의 상측에 추가로 적층 고정되는 하나 또는 둘 이상의 관성질량을 더 포함하고, 상기 추가로 적층 고정되는 관성질량들은 한쪽 면 중앙에 볼트 형상부가 형성되고 반대쪽 면 중앙에 나사산이 가공된 체결홀이 형성된 구조로 제작되어, 전체 관성질량들이 볼트형상부와 체결홀의 결합에 의해 상호 고정되는 것을 특징으로 하는 다용도 가속도계.

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