KR101332136B1 - 가속도 측정 센서 - Google Patents

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Abstract

가속도계는 관성 질량(10)과, 고정 베이스(30)와, 베이스로부터 질량을 지지하여 부정정의 지지 시스템을 제공하는 적어도 하나 또는 그 이상의 지지체/센서(12, 14, 16, 18, 20, 22, 24)를 포함한다. 지지체/센서는 장착 패드 사이에 현수되어 오실레이터(40)에 의해 진동되는 이중단부형 듀얼 비임 튜닝 포트(34)가 바람직하다. 정정 지지 시스템을 위해 필요한 이들 지지체/센서 이상으로 하나 또는 그 이상의 지지체/센서를 추가함으로써, 지지 시스템은 부정정을 제공하며, 그에 따라 하나 또는 그 이상의 방향에서 민감하다.

Description

가속도 측정 센서{THREE AXIS ACCELEROMETER WITH VARIABLE AXIS SENSITIVITY}
도 1은 부정정 구조물을 제공하는 직교 방향에서 센서에 의해 지지된 프로프 질량의 개략도,
도 2는 부정정 구조물의 관성 질량, 센서, 고정된 지지체 및 정지부를 도시하는 가속도계 모듈의 개략도,
도 3은 본 발명의 일 양상에서 지지체/센서로서 이용되는 수정 진동자 듀얼 비임 이동단부형 튜닝 포크의 개략도,
도 4는 본 발명의 바람직한 양상에 따른 3축 가속도계를 구형하는 다운-홀의 오일 드릴링 탐사 기구의 개략도,
도 5 내지 도 8은 다양한 부정정 구조물에서 관성 질량용의 지지체를 도시하는 각종 실시예의 개략도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 관성 질량
12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 : 지지체/센서
30 : 하우징 32 : 가속도계 모듈
34 : 듀얼 비임 이중단부형 포크 36, 38 : 장착 패드
40 : 정지부 42, 44 : 리드선
본 발명은 일반적으로 가속도계에 관한 것이며, 특히 모든 소정 방향에서 센서 축 감도를 다양하게 할 수 있는 단일 패키지내의 수정-기제 3축 가속도계에 관한 것이다.
가속도계를 이용하는 네비게이션 기구는 많은 상이한 환경에서 이용된다. 예를 들면, 다운-홀 오일 탐사 기구는 가속도를 결정하기 위해 3개의 독립적인 단일 축 센서를 이용한다. 그러나, 단일 축 센서는 탐사 기구에서 상당한 공간을 차지하는 단점이 있다. 또한, 대부분의 현재의 단일 축 센서는 자기적으로 복구된 프로프 질량(proof mass)을 이용하는 힘-평형 서보 가속도계이며, 그에 따라 그 주변에 자기 영향을 생성한다. 그러나, 관성 네비게이션 기구는 자기계를 또한 포함한다. 높은 자성의 가속도계와 자기계 사이의 잠재적인 상호작용으로 인해 가속도계를 자기계로부터 최소 거리에 위치시킬 필요가 있다. 또한, 수정 진동자-기제 공명기는 이전에 센서에 이용되었으며, 3축 가속도계에서 사용하는 것이 제안되었다. 예를 들면 미국 특허 제 6,826,960 호를 참조한다. 상기 미국 특허의 3축 가속도계는, 감도를 제공하지 않거나, 모든 하나 또는 그 이상의 방향에서의 가변 감도가 개별적인 결정 사이즈 또는 형상을 변경시키지 않는 정정 시스템을 포함한다. 따라서, 하나의 표준 지지 시스템(즉, 지지 결정)을 이용할 수 있는 가변 축 민감성을 가진 개선된 3축 가속도계가 필요하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 3차원으로 가속도를 측정하는 센서로서, 관성 질량과, 이 관성 질량용의 지지 시스템으로서, 상기 지지 시스템은 베이스와, 상기 베이스와 상기 관성 질량 사이로 연장되어 직교 방향에서 상기 관성 질량을 현수시켜서 부정정 구조물을 제공하는 복수의 지지 부재를 포함하는, 상기 관성 질량 및 지지 지스템과, 상기 지지 부재에서의 가속도 유도 스트레스를 측정하여, 질량의 가속도의 측정을 제공하는 스트레스 센서를 포함하는 가속도 측정 센서가 제공된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 관성 질량과, 이 관성 질량용 지지 시스템으로서, 상기 지지 시스템은 베이스와 상기 관성 질량 사이로 연장되어 직교 방향에서 관성 질량을 현수시켜서 부정정 구조물을 제공하는 복수의 지지 부재를 포함하는, 상기 관성 질량 및 지지 시스템을 포함하며, 상기 지지 부재중 적어도 6개는 상기 지지 부재내의 가속도 유도 스트레스를 측정하여 질량의 가속도를 측정하는 각 스트레스 센서를 구성하는 가속도계가 제공된다.
도 1에는 도시된 입방체로 표현된 관성 질량(10)이 개략적으로 도시되어 있다. 그러나, 이 질량(10)은 모든 기하학적 구성일 수 있다. 설명을 위해서, 질량(10)은 6개의 직교 관계의 지지체, 즉 지지체(12, 14; 16, 18; 및 20, 22)에 의해 지지되어 있다. 또한, 추가적인 지지체(24)가 있다. 각 지지체의 대향 단부는 질량(10)에 그리고 고정된 비가동 지지 베이스에 고정되어 있으며, 상기 베이스는 예를 들면 가속도계용의 하우징을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 지지체(12, 14; 16, 18; 및 20, 22)는 데카르트 좌표계의 각 X, Y, Z 축과 일치하게 배치된다. 도시된 바와 같이 질량(10)용 지지 시스템은 7개의 지지체를 포함하며, 그에 따라 부정정 지지 시스템(statically indeterminate support system)을 구성한다. 특히, 질량(10)이 6개의 지지체(12, 14; 16, 18; 및 20, 22)에 의해서만 지지된다면, 지지체의 정적 시스템은 정정 지지 구조물(statically determinate support structure)이다. 미지의 힘의 수가 자유 공간에서 질량의 모션을 설명하기 위해 필요한 모션 방정식의 수와 동일한 경우에, 시스템은 정정 구조물이다. 즉, 지지체 또는 억제부는 자유도의 타입 및 수와 동일하며, 독립적이다. 따라서, 정정 시스템에서는, 평형 방정식을 풀음으로써, 지지체 내의 모든 축방향 힘 및 지지체에서의 모든 반작용을 결정할 수 있다.
반대로, 독립적인 정정 구조물을 갖기 위해 필요한 것보다 많은 억제부가 있을 때, 즉 외부 로드를 독립적으로 평형시키는데 필요한 것보다 많은 지지체가 있을 때, 지지 시스템은 부정정이다. 달리 말하면, 억제부가 자유도의 수를 초과하고, 예를 들면 X, Y 및 Z 축에 대한 병진운동 및 이들 축을 중심으로 한 회전과 같이 각 자유도에 대해서 적어도 하나의 억제부가 있는 경우, 이 시스템은 부정정이다. 부정정 구조물 역학의 해결책은 정적 평형 방정식을 보다 많이 풀어야 하며, 특히 지지 시스템 특성의 추가 지식이 요구된다.
상술한 설명을 고려하면, 6개의 지지체(12, 14; 16, 18; 및 20, 22)가 서로에 대해서 직교로 배치되어 있는 도 1에 도시된 질량(10)용 지지 시스템은 정정 지지 시스템을 구성하는 것으로 이해될 것이다. 그러나, 도 1에 도시된 지지 시스템이 추가 지지체(24)를 포함해서 7개의 지지체를 구비하면 부정정 지지 시스템을 구성한다. 즉, 외부 로드를 독립적으로 평형시키기는데 필요한 적어도 하나 이상의 지지체가 있다. 또한, 부정정 시스템은 도 1에 도시된 단일 추가 지지체외에 추가의 지지체를 포함하며, 적어도 하나 또는 그 이상의 추가 지지체를 구비한 정정 지지 시스템을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 양상은 부정정 지지 구조물에서 직교 방향에서 고정 베이스와 관성 질량 사이로 연장되는 지지체를 구비하는 관성 질량용 지지 시스템을 제공한다. 예를 들면, 도 1의 7개 지지체를 보다 상세한 수준으로 도시한 동일한 지지 시스템을 기본적으로 도시하는 도 2에 도시된 바와 같이, 각 지지체는 복수의 상이한 힘-민감 응답 센서중 어떤 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, 스테레인 게이지와 같은 스트레스 검출 장치가 이용될 수 있다. 다른 예로서, 미국 특허 제 6,826,960 호의 도 3a에 개시된 바와 같은 단일 비임 공명 시스템이 이용될 수 있다. 그러나, 바람직하게, 듀얼 비임 이중단부형 튜닝 포크(DETF)는 질량(10)과 고정 베이스 사이에 지지체/센서를 제공하며, 고정 베이스는 가속도계 모듈(32)용 하우징(30)을 포함할 수도 있다. 듀얼 비임 이중단부형 튜닝 포크(34)의 일 예가 도 3에 도시되어 있다. DETF 힘-민감 지지체/센서의 대향 단부에는 장착 패드(36, 38)가 설치되어 있다. 오실레이터(40)는 리드선(42, 44)에 의해 패드(38) 상에 전기 접속할 수 있도록 전기적으로 연결되어 있으며, 이에 의해 오실레이터는 전기 에너지를 제공하여 센서(34)의 비임을 진동시킨다. 따라서, 지지 구조물의 듀얼 비임이 질량(10)의 가속에 의해 야기되는 선형 힘 및 각도방향 회전에 대항하여 인장 또는 압축될 때, 진동의 주파수는 로드에 따라 달라지며, 그에 따라 가속의 수단에 비례한다. 스트레인 게이지는 가속에 비례하는 신호 출력을 제공하기 위한 유사한 방법으로 이용될 수 있다.
다시, 도 2를 참조하면, 도 1에 도시된 힘-민감 지지체(12, 14; 16, 18; 및 20, 22)는 바람직한 실시예에 있어서 질량(10)과 고정 베이스(30) 사이에 연결된 힘-민감 듀얼 비임 이중단부형 튜닝 포크(34)를 구성한다. 따라서, 도 2에서, 각 지지체/센서(34)상의 패드중 하나(예를 들면, 36)는 관성 질량(10)에 고정되는 반면에, 대향 패드(예를 들면, 38)는 고정 베이스(30)에 고정된다. 특히, 지지체/센서(12, 14)는 X 방향에 지지체를 제공하며; 지지체/센서(16, 18)는 Y 방향에 지지체를 제공하며; 지지체/센서(20, 22)는 Z 방향에 지지체를 제공한다. 추가 지지체/센서(24)는 X 방향에서 추가 지지체를 제공하며, 그에 따라 X 방향으로 추가 강성을 제공한다. 이것은 부정정의 도 2의 지지 시스템을 제공한다. 다른 도면으로 후술하는 바와 같이, 하나 또는 그 이상의 추가 지지체가 정정 지지 시스템에 추가되어, 부정정의 지지 시스템을 제공할 수도 있다.
또한, 추가 지지체는 로드 민감 지지체를 구성할 필요는 없다. 따라서, 현재의 가속도계의 상황에서 부정정 구조물을 제공하기 위해서, 하나 또는 그 이상의 추가 지지체와 접속되는 각 자유도를 위해 하나의 로드 민감 지지체가 최소로 필요하다. 각 추가 지지체는 로드 민감일 수 있거나 그렇지 않을 수 있는데, 예를 들면, 하나 또는 그 이상의 추가 지지체는 전체적으로 구조물일 수 있다.
또한, 도 2에는 6개의 정지부(40)가 도시되어 있다. 정지부는 6개의 직교 방향의 각각에서 쌍으로 도시되어 있다. 정지부(40)는 베이스(30)에 의해 지지되며, 스트레스 센서의 능력을 초과하는 직교 방향에서 관성 질량 거리의 운동을 배제하여, 지지 부재내의 가속-유도 스트레스를 측정한다. 6개 측면상의 정지부의 구성 및 수는 예를 들면 코너상에 4개 또는 6개(코너에 4개 및 중간에 2개)로 다양할 수 있으며, 특별히 개시되는 구성 및 수는 단지 예시적인 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 관성 질량(10)용의 부정정 지지 구조물은 가속도계의 감도를 모든 소정의 방향 또는 방향들에서 다양하게 되게 할 수 있다. 부정정 지지체를 제공함으로써, 지지 베이스(30)에 마주보고 있는 가속도계의 강도는 모든 하나 또는 그 이상의 방향에서 증가될 수 있다. 이것은 예를 들면 다운-홀 오일 탐사 기구의 낮은 진동 환경에서 매우 바람직한 지지 시스템의 자연적인 주파수를 증가시키는 장점을 갖고 있다. 특정 예로서, 오일 탐사 기구는 바람직하게 약 1500㎐을 초과하는 자연적인 주파수를 가진 가속도계를 필요로 한다. 도시된 실시예에서, 추가 지지체/센서(24)는 X 축에 평행한 X 방향에 있으며, 그에 따라 그 방향에서 강도를 증가시킨다.
따라서, 부정정 구조물에 따르면, 모든 소정 축을 따라서 감도의 변화를 제공하기 위해서 하나 또는 그 이상의 방향에서 특정 감도는 예를 들면 질량의 소정 측면 또는 측면들상의 듀얼 비임 이중단부형 튜닝 포트와 같은 하나 또는 그 이상의 추가 지지체/센서를 추가함으로써 달성된다. 이것은, 지지체/센서가 하나의 기본적인 듀얼 비임 공명기를 이용할 수 있으며, 가속도계 제조자는 고가인 다중 사이즈의 듀얼 비임 공명기를 제조할 필요가 없는 추가 장점을 제공한다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 부정정 지지 시스템이 많은 상이한 구성으로 배치되어 고정 베이스로부터 관성 질량을 지지할 수 있다. 따라서, 본원에 특별하게 개시되고 도시된 부정정 지지 시스템은 대표적인 것이며, 제한하는 것이 아니다. 특별히 개시하는 것보다 많은 다른 지지체의 조합이 의도한 용도에 따라 이용될 수 있다. 따라서, 도 5에서, 3개 지지체/센서(12, 14, 24)는 X 방향에서 관성 질량(10)과 고정 베이스(30) 사이에 상호 연결되어 도시되어 있다. 2개 지지체/센서(16, 18)는 Y 방향에서 관성 질량(10)과 고정 베이스(30) 사이에 고정되어 있다. 3개 지지체/센서(20, 22, 24)는 Z 방향에서 질량(10)과 고정 베이스(30) 사이에 고정되어 있다. 즉, 지지체/센서(12, 14; 16, 18; 및 20, 22)로 구성되는 다른 정정 지지 시스템은 X 및 Z 방향에서 2개의 추가 센서/지지체(24, 42)에 의해 보강되어 부정정의 지지 시스템을 제공한다. 또한, 가속도계의 감도는 X 및 Z 방향에서 보강된다.
도 6에서, 3개의 센서/지지체(12, 14, 24)는 X 방향에서 관성 질량(10)과 고정 지지체(30) 사이로 연장되며, 3개 지지체/센서(16, 18, 44)는 Y 방향으로 연장되며, 3개 지지체/센서(20, 22, 42)는 9개 지지체/센서 전체에 대해서 Z 방향으로 연장되어 있다. 따라서, 3개 지지체/센서는 지지 시스템을 제공하는 다른 정정 지지 시스템을 초과하는 직교 방향에 설치되어 부정정을 제공한다.
도 7을 참조하면, 부정정 지지 시스템은 X, Y, Z 데카르트 좌표계의 6개 축과 동일하거나 평행한 축을 따라서 관성 질량과 베이스 사이로 연장되는 지지체/센서를 제공할 필요가 없으며, 하나 또는 그 이상의 추가 지지체/센서는 부정정의 다른 정정 지지 시스템 구조물을 제공한다. 따라서, 도 7에서, 지지체/센서는 양의 X 방향으로 연장되는 지지체/센서(50, 52, 62)와, 양의 Y 방향으로 연장되는 지지체/센서(54, 56)와, 양의 Z 방향으로 연장되는 지지체/센서(58, 60)를 포함한다. 질량(10)과 베이스(30) 사이에서 음의 X, Y 및 Z 방향으로 연장되는 지지체는 없다. 이것은 상술한 지지체/센서(50, 52; 54, 56; 58, 60)는 질량(10)용의 정정 지지 시스템을 제공하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면 양의 X 방향에서의 센서/지지체(62)를 추가함으로써 부정정의 지지 시스템을 제공한다. 따라서, 도 7의 지지 시스템은 X 방향에서 강도를 증가시킨다.
도 8을 참조하면, 지지 센서의 쌍은 데카르트 좌표계의 양의 및 음의 양 방향으로 연장된다. 따라서, 도 8의 부정정 지지 시스템에 있어서, 지지 센서는 각 양의 및 음의 X 방향으로 연장되는 지지체/센서(70, 72 및 74, 76)와, 각 양의 및 음의 Y 방향으로 연장되는 지지체/센서(78, 80 및 82, 84)와, 각 양의 및 음의 Z 방향으로 연장되는 지지체/센서(86, 88 및 90, 92)를 포함한다. 필수의 6개 지지체를 초과하는 하나 또는 그 이상의 센서/지지체를 추가함으로써 부정정의 지지 시 스템을 제공한다. 따라서, 도 8의 지지 시스템은 X, Y, Z 방향에서의 강도를 증가시키며, 모든 소정 방향에서 보다 높은 로드/유용한 로드를 제공한다. 상기 설명으로부터, 본 발명의 3축 가속도계는 정정의 지지 시스템을 제공하는 지지체/센서에 추가하여 하나 또는 그 이상의 지지체/센서를 추가하여 이용될 수 있다는 것을 이해할 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 가속도계 모듈(32)을 구현할 수 있는 오일 탐사 기구(70)가 도시되어 있다. 예를 들면 모듈(32)은 기구(70)의 원통형 케이싱내에 배치될 수 있다. 모듈(32)은 콤팩트하고 설치가 용이한 방식으로 고정 베이스(30)와 관성 질량용의 부정정 지지 시스템을 수용하며, 네비게이션 탐사 기구(70)의 전자 장치에 합체된다.
본 발명은 최상의 실시 및 바람직한 실시예로 고려되는 것에 대해서 설명하였지만, 본 발명은 개시된 실시예로 제한되지 않으며, 오히려 첨부된 특허청구범위의 정신 및 영역내에 포함되는 다양한 변경 및 동등한 구성을 포함하는 것으로 의도된다.
본 발명에 의하면, 정정 지지 시스템을 위해 필요한 이들 지지체/센서 이상으로 하나 또는 그 이상의 지지체/센서를 추가함으로써, 지지 시스템은 부정정을 제공하며, 그에 따라 하나 또는 그 이상의 방향에서 민감하게 되는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 3차원으로 가속도를 측정하는 센서에 있어서,
    관성 질량(10)과, 상기 관성 질량을 위한 지지 시스템으로서, 상기 지지 시스템은 베이스(30)와, 상기 베이스와 상기 관성 질량 사이로 연장되어 상기 관성 질량을 직교 방향으로 현수시켜서 부정정(不靜定) 구조물을 제공할 수 있는 개수의 복수의 지지 부재(12, 14, 16, 18, 20, 22, 24)를 포함하는, 상기 지지 지스템과,
    상기 지지 부재에서의 가속도 유도 스트레스를 측정하여 상기 관성 질량의 가속도의 측정을 실행하는 스트레스 센서(34)를 포함하는
    가속도 측정 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 지지 부재는 상기 베이스와 상기 관성 질량 사이에 적어도 7개의 지지 부재(12, 14, 16, 18, 20, 22, 24)를 포함하는
    가속도 측정 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 지지 부재는 각각 상기 직교 방향에서 상기 베이스와 상기 관성 질량 사이로 연장되는 지지 부재의 쌍(12, 14; 16, 18; 20, 22, 24)을 포함하며, 지지 부재의 각 쌍의 개별 지지 부재는 서로 평행하게 연장되며, 상기 복수의 지지 부재는, 상기 직교 방향 중 하나의 방향에서 상기 베이스와 상기 관성 질량 사이로 연장되어, 상기 하나의 직교 방향으로의 강성이 다른 직교 방향으로의 강성을 초과하게 하는 다른 지지 부재(24)를 더 포함하는
    가속도 측정 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 지지 부재의 개별 지지 부재(12, 14; 16, 18; 20, 22, 24)는 상기 직교 방향에 평행한 상기 질량의 대향 측면으로부터 연장되는
    가속도 측정 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 지지 부재(12, 14; 16, 18; 20, 22, 24)는 각각 상기 직교 방향에서 상기 베이스와 상기 관성 질량 사이로 연장되는 지지 부재의 쌍을 포함하며, 지지 부재의 각 쌍의 개별 지지 부재는 서로 평행하게 연장되며, 복수의 지지 부재(24) 중 적어도 하나는 상기 직교 방향 중 적어도 다른 하나의 방향으로 가해지는 가속도에 대한 감도와 상이한 상기 직교 방향 중 하나의 방향으로 가해지는 가속도에 대한 감도를 제공하는
    가속도 측정 센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 하나의 지지 부재(24)는, 지지 시스템을 정정 상태로 만드는 3개 쌍의 지지 부재(12, 14; 16, 18; 20, 22) 이외의 지지 부재인
    가속도 측정 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 지지 부재의 각 쌍의 개별 지지 부재(12, 14, 16, 18, 20, 22)는 상기 질량의 대향 측면으로부터 연장되는
    가속도 측정 센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 지지 부재(12, 14, 16, 18, 20, 22, 24)는 각각 상기 직교 방향에서 상기 베이스와 상기 관성 질량 사이로 연장되는 지지 부재의 쌍을 포함하며, 지지 부재의 각 쌍의 개별 지지 부재는 서로 평행하게 그리고 상기 질량의 각 대향 측면으로부터 연장되며, 상기 복수의 지지 부재는, 상기 직교 방향 중 2개의 방향에서 상기 베이스와 상기 관성 질량 사이로 연장되어, 각각 상기 2개의 직교 방향으로의 강성이 다른 하나의 직교 방향으로의 강성을 초과하게 하는 적어도 2개의 추가 지지 부재(22, 24)를 더 포함하는
    가속도 측정 센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지 부재의 각각은 수정 진동자 비임 공명기(quartz crystal beam resonator)를 포함하는
    가속도 측정 센서.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지 부재의 각각은 수정 진동자 듀얼 비임 공명기를 포함하는
    가속도 측정 센서.
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