KR101105085B1 - 철-폴리머 일렉트릿을 이용한 가속도계 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 일렉트릿을 이용한 가속도계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철-폴리머 복합체로 형성된 일렉트릿 박막을 이용한 가속도계에 관한 것이다. 본 발명은 양면에 전극막(22a)이 형성된 일렉트릿필름(22)과 연질시트(24)가 적층되어 형성되는 진동막(20)과, 상기 진동막(20)의 상측 표면에 구비되는 추(30), 그리고 상기 진동막(20) 및 추(30)를 내부에 수용하는 하우징(10)을 포함하여 구성되는 철-폴리머 일렉트릿을 이용한 가속도계에 있어서, 상기 일렉트릿필름(22)은 자성체인 철 입자(111)와 탄성체인 폴리머 입자(112)를 분산 및 혼합하여 생성한 철-폴리머 분산체를 일정한 형태로 성형한 후 파쇄하여 생성되는 철-폴리머 복합체(113)로 형성된다. 본 발명에 따르면, 가해지는 자기장의 크기에 따라 강성도가 변화하는 철-폴리머 일렉트릿의 특성을 이용하여 측정가능한 주파수의 범위를 가변적으로 조정하는 것이 가능한 장점이 있다.
가속도계, 일렉트릿, 철-폴리머 복합체, 진동막
Description
본 발명은 일렉트릿을 이용한 가속도계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철-폴리머 복합체로 형성된 일렉트릿 박막을 이용한 가속도계에 관한 것이다.
기계설계 분야에 있어서 진동 절연 및 감소 기술의 중요성이 부각되면서, 진동의 정확한 측정 및 분석에 대한 필요성이 점차 증대되고 있다. 종래의 기계설계 분야에서는 안정성과 내구성을 중시하였기 때문에 설계자의 경험적인 감각이나 진동 변위를 측정하는 간단한 광학 기구만으로도 진동의 측정 및 분석이 가능하였다. 그러나 오늘날 최근 들어, 고속 기계가 주로 사용되는 분야에서는 더욱 정밀한 측정기법이 요구되므로 진동을 전기적인 신호로 변환시키는 압전형 가속도계가 개발되어 널리 사용되고 있다.
상기 압전형 가속도계는 압전소자의 물리적 성질을 전기적 성질로 변환시키는 효과를 이용하는 것으로서, 정량적으로 역학적인 입력 진동신호의 크기에 비례하는 전기적 신호를 발생시킴으로써 진동을 측정한다. 즉, 압전소자의 극성 방향에 대하여 힘을 가하면 양쪽 면에 전하가 발생하고, 이때 발생하는 전위차는 힘의 세 기에 비례한다는 점을 이용하여 진동량을 측정하는 장치이다. 상기 압전형 가속도계는 사용주파수의 대역이 상대적으로 넓고, 동적특성이 우수하며, 소형화 및 내구성이 상대적으로 우수하여 진동 측정용으로 널리 사용되고 있다.
상기 압전형 가속도계의 동작원리를 더욱 상세하게 살펴보면 다음과 같다. 즉, 압전소자를 이용한 가속도계가 부착된 물체 등이 진동하면, 상기 가속도계 내의 관성질량이 상기 압전소자에 관성력을 전달하여 상기 압전소자에 기계적 변형을 일으킨다. 이때, 상기 압전소자의 양단에 입혀진 얇은 전극판 위에 압전소자의 변형량에 비례하는 전하밀도가 발생하고, 상기 발생한 전하밀도를 측정함으로써 가속도를 측정할 수 있다.
그러나 상기한 바와 같은 종래기술에서는 다음과 같은 문제점이 있었다.
즉, 종래의 가속도계는 압전소자의 강성도(stiffness)에 따라 사용가능한 주파수의 범위가 일정하게 고정되므로 측정하고자 하는 가속도의 주파수에 따라 가속도계의 사용이 제한되거나 또는 정확한 가속도의 크기를 측정하는 것이 불가능한 단점이 있었다.
또한, 가속도계의 질량은 측정 지점에서 진동의 크기와 주파수를 심각하게 변화시키므로, 시료를 측정하고자 할 때 상기 가속도계의 질량은 설치하고자 하는 진동부분의 동적질량의 10 분의 1을 초과해서는 안 되는 한계가 있고, 작은 질량의 가속도계를 이용하는 경우에는 감도(sensitivity)가 불량해지는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 측정하고자 하는 가속도의 주파수 범위를 가변적으로 조정하는 것이 가능한 철-폴리머 일렉트릿을 이용한 가속도계를 제공하는 것이다.
그리고 본 발명의 다른 목적은 가속도계의 질량이 커짐에 따라 가속도계의 감도가 불량해지는 것을 방지하고, 감도가 우수하면서도 질량이 작은 철-폴리머 일렉트릿을 이용한 가속도계를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 양면에 전극막이 형성된 일렉트릿필름과 연질시트가 적층되어 형성되는 진동막과, 상기 진동막의 상측 표면에 구비되는 추, 그리고 상기 진동막 및 추를 내부에 수용하는 하우징을 포함하여 구성되는 철-폴리머 일렉트릿을 이용한 가속도계에 있어서, 상기 일렉트릿필름은 자성체인 철 입자와 탄성체인 폴리머 입자를 분산 및 혼합하여 생성한 철-폴리머 분산체를 일정한 형태로 성형한 후 파쇄하여 생성되는 철-폴리머 복합체로 형성된다.
이때, 상기 철-폴리머 분산체는 상기 철 입자와 상기 폴리머 입자를 각각 스프레이 분사방식으로 분사하여 분산 및 혼합하여 생성할 수 있다.
그리고 상기 진동막은 상기 추가 구비되는 부분이 돔형으로 형성될 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 철-폴리머 일렉트릿을 이용한 가속도계에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
즉, 가해지는 자기장의 크기에 따라 강성도가 변화하는 철-폴리머 일렉트릿의 특성을 이용하여 측정가능한 주파수의 범위를 가변적으로 조정하는 것이 가능한 장점이 있다.
그리고 본 발명에 의하면, 종래의 세라믹 압전소자를 대체하여 박막 형태의 철-폴리머 일렉트릿을 사용하므로 가속도계의 크기를 소형화하는 것이 가능하고, 질량을 상대적으로 작게 할 수 있어, 우수한 감도 특성을 가지는 장점이 있다.
이하에서는 상기한 바와 같은 본 발명에 의한 휴대용 전자기기의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 철-폴리머 일렉트릿을 이용한 가속도계를 나타내는 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 철-폴리머 일렉트릿을 이용한 가속도계는 그 외관을 이루는 하우징(10)의 내부에 진동막(20)을 포함하여 구성된다. 그리고 상기 진동막(20)의 상측 표면에는 추(30)가 구비된다. 상기 추(30)는 가속도 측정을 위한 관성질량을 제공하기 위해 상기 진동막(20)의 중앙부분에 구비된다.
상기 진동막(20)은 일렉트릿필름(22)과 연질시트(24)를 적층하여 형성된다. 상기 일렉트릿필름(22)의 양면에는 전극막(24a)이 형성되고, 상기 연질시트(24)의 양면에는 금속막(22a)이 형성된다. 상기 일렉트릿필름(22)은 철-폴리머 복합체를 재료로 하여 형성된다. 철-폴리머 복합체의 특성 및 제조방법에 대하여는 후술하기로 한다. 상기 연질시트(24)는 상기 일렉트릿필름(22)을 지지하는 역할을 하고, 예컨대 폴리우레탄의 재질로 형성될 수 있다.
상기 연질시트(24)의 양면에는 금속막(22a)이 각각 형성되며, 상기 연질시트(24)의 양면에 형성되는 금속막(22a)은 관통홀(24b)을 통해 전기적으로 도통된다. 또한, 상기 일렉트릿필름(22)의 양면에 형성되는 전극막(24a)과, 상기 연질시트(24)의 양면에 형성되는 금속막(22a)은 도전성 접착제에 의해 서로 접합됨으로써 전기적으로 도통된다.
상기 진동막(20)에 가속도가 가해지는 경우, 상기 일렉트릿필름(22)에 발생한 전기적 신호는 상기 일렉트릿필름(22)의 상하측에 형성된 각각의 전극막(24a)에 전달되고, 상기 전극막(24a)에 전달된 전기적 신호는 각 전극막(24a)과 전기적으로 연결된 와이어 또는 전극패턴(도시하지 않음) 등에 의해 상기 하우징(10)의 외부로 각각 전달된다. 따라서 상기 진동막(20)에 가속도가 가해지면, 상기 진동막(20)이 변위하고, 그에 따라 상기 일렉트릿필름(22)에는 전기적 신호가 발생하며, 이를 측정함으로써 가속도의 크기를 검출할 수 있다.
상기 진동막(20)은 상기 하우징(10)의 내측에 끼움방식으로 수용된다. 상기 진동막(20)은 편평하게 형성되거나 또는 돔형으로 형성될 수 있다. 상기 진동막(20)을 돔형으로 형성하는 것은 상기 일렉트릿필름(22)에 가속도가 가해져 진동하는 경우, 편평하게 형성되는 경우에 비하여 상대적으로 비대칭의 진동이 측정되 어 더 큰 출력을 얻기 위함이다. 즉, 상기 진동막(20)이 편평한 상태에서 가속도를 측정하는 경우 상기 진동막(20)의 상측 및 하측에 대한 진동이 상쇄될 수 있는데, 상기 진동막(20)의 형태를 돔형으로 형성함으로서 이를 방지할 수 있다.
상기 진동막(20)의 상측 및 하측에는 일정한 간격을 두어 전자석(40)이 형성된다. 상기 전자석(40)은 상기 일렉트릿필름(22)의 상측 및 하측에 자기장을 형성하기 위한 것으로서, 자기장의 크기에 따라 상기 일렉트릿필름(22)의 강성도(stiffness)를 변화시키는 역할을 한다. 상기 전자석(40)은 상기 하우징(10)의 외부와 와이어(도시하지 않음) 등에 의해 전기적으로 연결되어 사용자의 입력에 따라 자기장의 크기를 변화시킬 수 있도록 구비된다.
도 2는 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 가속도계를 구성하는 일렉트릿필름에 외부자기장이 가해지는 경우 철입자가 사슬형태로 정렬되는 상태를 나타낸 개략도이다. 상기 일렉트릿필름(22)은 철-폴리머 복합체로 형성되는데, 상기 철-폴리머 복합체는 도 2에 도시된 바와 같이, 외부자기장에 의해 사슬형태로 정렬됨으로써 상기 일렉트릿필름(22)의 강성도를 변화시킨다. 따라서 상기 일렉트릿필름(22)은 상기 전자석(40)에 의해 가해지는 자기장의 크기에 따라 강성도가 변화하는 특성을 가지고, 자기장의 변화에 의해 강성도를 변화시킴으로써 측정하고자 하는 가속도의 주파수 범위를 가변적으로 조정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 가속도계를 구성하는 일렉트릿필름의 재료인 철-폴리머 복합체의 제조방법을 설명하는 공정도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 철-폴리머 복합체의 제조방법은 자성체인 철 입자(111)와 탄성체인 폴 리머 입자(112)를 분산 및 혼합하여 철-폴리머 분산체를 형성하는 단계(S110)로부터 시작된다. 상기 철-폴리머 분산체는 상기 철 입자(111)와 폴리머 입자(112)를 각각 스프레이(spray) 분사 방식으로 분사하여 분산 및 혼합함으로써 생성된다. 다음으로, 상기 철-폴리머 분산체를 철-폴리머 간의 본딩력을 향상시킬 수 있다골 다시 일정 형태로 성형한 후 파쇄하여 철-폴리머 복합체(113)를 생성한다(S120).
본 발명의 구체적인 실시예에 의한 일렉트릿을 이용한 가속도계에 따르면, 가해지는 자기장의 크기에 따라 강성도가 변화하는 일렉트릿의 특성을 이용하여 측정가능한 주파수의 범위를 가변적으로 조정하는 것이 가능하고, 박막 형태의 철-폴리머 일렉트릿을 사용하므로 가속도계의 크기를 소형화하는 것이 가능하고, 질량을 상대적으로 작게 할 수 있어, 우수한 감도 특성을 가지는 장점이 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
도 1은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 철-폴리머 일렉트릿을 이용한 가속도계를 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 가속도계를 구성하는 일렉트릿필름에 외부자기장이 가해지는 경우 철입자가 사슬형태로 정렬되는 상태를 나타낸 개략도.
도 3은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 가속도계를 구성하는 일렉트릿필름의 재료인 철-폴리머 복합체의 제조방법을 설명하는 공정도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10: 하우징 20: 진동막
22: 일렉트릿필름 22a: 금속막
24: 연질시트 24a: 전극막
24b: 관통홀 30: 추
40: 전자석 111: 철입자
112: 폴리머 입자 113: 철-폴리머 복합체
Claims (3)
- 양면에 전극막이 형성된 일렉트릿필름과 양면에 금속막이 형성된 연질시트가 적층되어 형성되는 진동막과;상기 진동막의 상측 표면에 구비되는 추; 그리고상기 진동막 및 추를 내부에 수용하는 하우징을 포함하여 구성되는 철-폴리머 일렉트릿을 이용한 가속도계에 있어서,상기 일렉트릿필름은,자성체인 철 입자와 탄성체인 폴리머 입자를 분산 및 혼합하여 생성한 철-폴리머 분산체를 일정한 형태로 성형한 후 파쇄하여 생성되는 철-폴리머 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 철-폴리머 일렉트릿을 이용한 가속도계.
- 제 1 항에 있어서,상기 철-폴리머 분산체는,상기 철 입자와 상기 폴리머 입자를 각각 스프레이 분사방식으로 분사하여 분산 및 혼합하여 생성하는 것을 특징으로 하는 철-폴리머 일렉트릿을 이용한 가속도계.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 진동막은,상기 추가 구비되는 부분이 돔형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 철-폴리머 일렉트릿을 이용한 가속도계.
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| KR20110079085A (ko) | 2011-07-07 |
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