KR101718654B1 - L자형 비틀림 구조를 가지는 발사체용 가속도센서 - Google Patents

Abstract

고정단에 한쪽 끝이 고정되고 L자 모양으로 굽어진 외팔보의 자유단에 질량체를 형성시킨 가속도 센서가 개시된다.
본 발명의 가속도 센서는 가속도 작용 시 외팔보의 y축 부재가 x축 부재에 가하는 비틀림 모멘트에 의해 발생되는 x축 부재의 전단변형률을 측정하여 낮은 범위의 가속도를 측정할 수 있으며, 또한 질량체를 포함한 y축 부재 전체가 지지단에 밀착되는 고 충격 상황에서는 x축 부재 자체에 가해지는 굽힘-비틀림 모멘트에 의해 발생되는 표면변형률을 측정하여 높은 범위의 가속도까지 측정할 수 있다.
압저항 소자가 부착된 측정구역에서는 y축 부재의 굽힘이 비틀림 변형으로 작용할 때 양의 값(인장 변형)으로 발생되고, x축 부재의 말단까지 지지단에 닿는 고도의 굽힘 상황에서는 음의 값(압축 변형)으로 발생된다. 대부분의 실제 상황에서 매우 낮은 가속도와 매우 높은 가속도는 동시 발생되지 않고 연속적으로 발생되지도 않으므로 각각의 변형률에 의한 전기저항 값을 절대값으로 환산하여 계량화하면 다양한 발사체 및 그 신관 안전장전장치에 공용으로 호환될 수 있는 광범위 가속도 측정센서가 얻어진다.

Description

L자형 비틀림 구조를 가지는 발사체용 가속도센서{Micro accelerometer sensor for a projectile that has a torsion structure of L-shaped cantilever}

본 발명은 포발사 충격과 같은 극히 높은 가속도에서 공중투하무기의 낙하가속도 등 매우 낮은 가속도에 이르기까지의 광범위한 가속도를 측정할 수 있는 L자 모양 외팔보 구조의 압저항식 가속도 센서에 관한 것이다.

가) 가속도 센서는 질량체(proof mass)의 운동방식에 따라 공진형과 변위형 센서로 나눌 수 있다.

그 중 변위형 센서는 질량체 또는 질량체에 의한 변형부위의 움직임을 전기신호로 변환시키는 것으로서 변위검출방식에 따라 질량체의 움직임을 변형부위에 부착된 피에조저항 소자의 저항변화로부터 검출하는 압저항형 센서와, 질량체의 움직임을 고정전극과의 사이의 정전용량 변화로 검출하는 정전용량형 센서가 많이 사용된다.

정전용량형 가속도 센서는 대향 전극 구조에서 질량체의 변위에 의한 공극의 변화가 용량의 변화로 나타나는 점을 이용한 방식으로 현재 MEMS 가속도센서의 대부분을 차지하고 있다. 이것은 온도에 의한 특성 변화가 매우 적고, DC성분 계측과 폐루프 제어가 용이하며, 구조적으로 간단하기 때문에 제작 공정이 단순해진다는 장점이 있다. 특히 회로부와 집적이 가능하기 때문에 On-chip형태로 구현이 가능하다.

그러나 용량의 변화는 전하 적분형이나 전압 버퍼링으로 측정할 수 있지만 기생용량에 의한 성능 저하가 크고 용량 변화를 측정할 때 가해지는 전압이 정전력으로 작용하여 새로운 오차 원인으로 가해지는 문제가 있으며, 고충격 상황과 같이 높은 가속도가 작용할 때 비례적인 공극이 확보되기 어려운 단점이 있다.

압저항형 가속도 센서는 표면의 변형률(strain)에 의해 저항값이 변화하는 소자를 이용하는 것으로 기본적으로 High G 조건에 유리하고 제작 공정이 간단하며 기생 용량의 영향을 덜 받기 때문에 Two-chip 형태로 구현이 일반적으로 가능하다.

이것은 질량체가 매달린 외팔보에 압저항 소자가 부착된다면 인장응력이 분포된 곳(표면이 늘어난 곳)에는 전기 저항값이 증가하며, 압축응력이 분포된 곳(표면이 줄어든 곳)에는 전기 저항값이 감소하는 원리를 이용한 것이다.

그러나 압저항 계수는 결정 방향이나 Doping 정도에 따라 크게 달라지기 때문에 조정이 어려우며, 온도에 의한 특성 변화가 심하다는 단점이 있다. 그리고 저항 변화 자체가 잡음의 주원인으로 작용하며 별도로 힘을 가할 수 있는 방법이 없기 때문에 폐루프 제어가 불가능하다.

이에 따라 압저항식 가속도센서 설계 시에는 유용 주파수 범위 및 수용 가능한 위상왜곡 범위를 바탕으로 구조물의 1차 고유진동수 및 감쇠비가 결정되어져야 하며, 감쇠비가 작을 경우 공진주파수 부근에서 과도한 진폭으로 인한 파손이 일어나기 쉬우므로 파손방지에 대한 대책이 추가되어야 한다.

나) 각종 무기체계의 투사수단이 되는 발사체는 다양한 추진방식으로 가속되며 초기 발사속도와 그에 따라 발생되는 후퇴관성력(반작용 가속도)에는 큰 차이가 있다. 예를 들어 공대공 미사일이나 대전차용 로켓탄, 유도폭탄 등은 투사 플랫폼의 초기속도에 비해 비교적 낮은 상대속도로 가속되므로 발사 시 불과 수G~십 수G(중력가속도) 이하의 낮은 후퇴관성력이 작용한다.

반면에 탄도탄 요격용 지대공 미사일과 박격포탄의 경우에는 발사 시 수십G~100G 내외의 후퇴관성력이 작용한다. 가장 높은 초기발사속도를 가지는 날개안정식 활강포탄이나 155mm 장사정 야포탄은 발사 시 1만~2만G 정도의 후퇴관성력이 작용한다. 이 같이 발사체 별로 다른 후퇴관성력은 절대 가속도량을 놓고 보자면 실로 광대한 범위에 이른다.

일반적인 모바일 기기나 차량용 크루즈 콘트롤 장치와는 비교할 수 없이 높은 발사체의 가속도를 측정하기 위해서는 정전용량형 센서는 부적합하며, 외팔보(cantilever) 구조에 압저항 소자(piezo resister)가 부착된 변위형 센서를 이용한다. 상기 외팔보는 발사 순간 작용하는 최대 후퇴관성력에 의해 부러지거나 영구 변형되어선 안되므로 센서가 적용되는 발사체의 가속도 범위에 적합한 강성으로 정교하게 조율되어야 한다.

한국등록특허 10-0413093호 타축감도를 최소화한 압저항형 가속도 센서 한국등록특허 10-1367047호 가속도 센서 한국등록특허 10-1524377호 압저항형 가속도계 및 이의 제조 방법

어느 타입의 발사체이든 발사 전 안전 상태에서 발사 후 작동가능 상태(기폭 가능 또는 유도비행 가능상태)로 전환되려면 자신에게 작용하는 가속도에 정확히 반응하여 작동되는 제어장치를 필요로 한다. 이 제어장치는 기폭용 전자식 신관의 안전장전장치일 수 있으며 조종날개를 구동하거나 레이더를 작동시키는 유도장치일 수도 있다.

예를 들어 도 1과 같이 가장 많이 사용되는 야포탄용 전자식 신관에서, 유도회로나 기폭회로에 마운트되는 가속도 센서는 안전장전 판단이 이루어지는 중력가속도 기준 수백~수천 G범위의 가속도를 정확히 감지해야 하며 10000G 이상의 포발사 후퇴관성력(z축 방향 가속도를 의미한다)에 구조적 안전성을 갖고 있을 필요가 있다.

또한 포탄이 표적에 충돌한 다음에 폭발하기 위해서는 수백~1000G 범위의 가속도도 정확히 감지할 필요가 있다.

포탄이 지면에 정상적으로 탄착되지 못하고 나뭇가지에 의해 감속되거나 모래, 늪지 등 부드러운 표면 탄착 시에는 발생되는 가속도가 수십 십G 이하로 더욱 줄어들 수 있으며 만약에 건물 등 지형지물 스침으로 인한 포탄의 텀블링이 일어날 때에는 불과 수~십 수G의 가속도만이 발생할 수 있다.

신관의 가속도 센서는 필요에 따라 이 범위의 가속도 까지도 정확히 감지해 내야만 발사체가 원하는 지역을 벗어나 폭발하거나 불발탄으로 남게 되는 것을 방지할 수 있다.

특히 유도기능이 요구되는 포탄이라면 신관 앞쪽 근접센서 회로에 마운트된 가속도 센서를 이용하여 비행거리와 비행속도를 산출하고 조종날개를 움직였을 때 변화되는 비행자세와 비행방향을 3축 가속도 성분으로 측정해야 할 필요가 있다. 이 같은 유도비행에 필요한 가속도 감지는 1G 이하의 미소한 가속도도 정확히 측정할 수 있어야 한다.

그러나 종래의 변위형 압저항 방식 가속도 센서는 상술한 바와 같은 넓은 범위의 가속도 측정이 불가능하였다. 아래 도 2를 살펴보자.

도 2는 기존의 단순 외팔보형 가속도 센서를 보여준다. 기존의 압저항식 가속도 센서는 고정단(fixed end)에 고정된 외팔보(cantilever or bridge)에 질량체(proof mass)를 형성시킨 단순한 구조를 이용하고 있다.

그리고 질량체의 과다 운동으로 인한 구조적 파손을 방지하기 위해 변위 및 응력을 제한하는 지지단(Stopper)이 외팔보와 질량체 아래에 배치된다.

이때 압저항 소자는 굽힘모멘트가 가장 커지는 고정단 쪽에 최대한 가깝게 부착될 수 있다.

이는 도 2 아래의 x축 방향 굽힘모멘트 그래프에서 보는 바와 같이 질량(하중) 영역과 강성 영역이 한 축 방향으로 공유하는 구조이다.

만약에 낮은 가속도에 민감하도록 하기 위해 외팔보의 강성을 줄이고 질량체를 무겁게 하면 가속도가 약간만 증가하여도 지지단에 닿아 측정 전단변형률 한계에 금새 도달해 버리므로 높은 가속도 측정이 불가능하다.

높은 가속도를 측정할 수 있도록 외팔보의 강성을 높이고 질량체를 가볍게 하면 낮은 범위의 가속도에서 굽힘에 의한 변형이 실질적으로 일어나지 않아 측정 한도 이하의 변형률을 얻게 된다. 따라서 안전장전측정 한도의 변형률을 측정할 수 없다. 그러므로 이 같은 구조에서 Low G ~ High G 에 이르는 광범위 가속도의 측정은 사실상 어렵다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서 포발사 충격과 같은 극히 높은 가속도에서 공중투하무기의 낙하가속도 등 매우 낮은 가속도에 이르기까지 광범위한 가속도를 측정할 수 있는 가속도 센서를 구현하는 것이 목적이다.

본 발명의 추가적인 목표는 본 발명의 가속도 센서를 탑재한 안전장전회로나 기폭회로, 비행제어회로 등이 Low G ~ High G에 이르는 전술 환경에서 효과적으로 사용될 수 있게 하여 하나의 규격으로 다양한 무기체계에 통합 적용될 수 있도록 하는 것이다.

본 발명에서는 굽힘모멘트에 의해서만 전단변형을 발생시킬 수 있었던 종래의 일자형 외팔보를 L자형 외팔보로 새롭게 설계하고 압저항 소자를 굽힘모멘트의 최대지점이 아닌 비틀림 모멘트 최대지점에 배치하였다.

L자 형 꺾인 부분 근처에 압저항 소자를 배치하면 낮은 가속도 작용 시 굽힘 구조에서 비틀림 구조로 변화하며 굽힘하중이 최소가 되는 지점에서 측정할 경우에 순수 비틀림 측정이 가능하고 굽힘 효과를 무시할 수 있다. 이러한 L형 구조는 질량 영역과 강성(측정) 영역을 분리하여 민감도 조정을 할 수 있으므로 높은 가속도 작용 시에도 유리하게 작용할 수 있으며 결과적으로 광범위 영역의 가속도 측정이 가능하다.

상술한 해결수단에 더하여, 본 발명의 기술사상을 뒷받침하는 추가적인 기술수단들과 그 결합구조들은 첨부된 도면을 바탕으로 한 아래의 구체적인 실시예를 참조한다.

본 발명의 가속도센서는 후퇴관성력 범위가 크게 다른 각종 전술 발사체의 발사 가속도량 감지에 적용될 수 있으며 탄착 충격의 범위가 크게 다른 다양한 탄착목표에도 대응할 수 있으며 장전 중 발생할 수 있는 취급부주의에 의한 충격량도 정확히 감지하여 걸러낼 수 있으므로 폭발사고 방지용 가속도 감지에도 적용 가능한 뛰어난 효과를 발휘한다.

이에 따라 유도무기 및 야포 무기에 동시에 활용할 수 있는 통합 제어장치나 통합 안전장전장치 개발에 기여할 수 있다.

도 1은 본 발명의 가속도 센서가 회로기판에 실장될 수 있는 발사체용 신관
도 2는 굽힘모멘트에 의한 전단변형률 만을 측정할 수 있는 종래의 가속도 측정개념도.
도 3은 비틀림모멘트에 의한 전단변형률까지 측정할 수 있는 본 발명의 가속도 측정개념도.
도 4는 가속도의 범위에 따라 질량체와 x,y축 부재의 이동 및 변형을 나타낸 단계별 사시도.
도 5는 단계별로 서로 다른 가속도가 가해졌을 때 x,y축 부재와 측정구역의 변형을 유한요소법으로 해석한 시뮬레이션 화면.
도 6은 0.1 G ~ 40,000 G의 가속도 범위를 14 단계로 나누어 각각의 지점에서 측정한 전단변형률을 나타낸 그래프.

상술한 본 발명의 과제 해결수단을 구체적으로 뒷받침하기 위하여 도면에 포함된 본 발명의 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.

다만 아래에 설명될 실시예에서 특정 전문용어로 표현된 구성요소들과 이들의 결합구조가 본 발명에 포괄적으로 내재된 기술사상을 제한하는 것은 아니다.

도 3은 비틀림모멘트에 의해 미량의 가속도까지 측정할 수 있는 본 발명의 측정개념을 개념적으로 도시한 것이며, 도 4는 가속도가 점차 증가함에 따라 질량체와 x,y축 부재에 발생하는 변형 양태를 개념적으로 도시한 것이다.

도 3과 도 4a를 참조하면 yz평면에 형성되는 고정단(10)에 한쪽 끝이 고정되고 그로부터 뻗어 나온 부재를 x축 부재(1)라 할 때, 상기 x축 부재의 다른쪽 끝에서 L자형으로 꺾여 연장되는 부재는 y축 부재(3)가 된다. 이것은 xy평면을 따라 L자 모양으로 굽어진 일체형 외팔보(cantilever)로 볼 수 있다.

상기 외팔보의 자유단 쪽에는 질량체(4)가 형성되며 지지단(20)은 상기 외팔보 및 상기 질량체와 z축 방향으로 소정의 간극을 두고 배치된다.

그리고 후퇴관성력에 의한 가속도는 수직 아래 방향, 즉 z축 방향으로 작용한다.

질량체(4)는 상기 지지단에 완전 접촉되지 않은 가속도 작용환경에서 측정구역(A)에 발생되는 굽힘 모멘트의 일부 또는 전부를 상쇄하는 비틀림 모멘트를 상기 y축 부재(3)에 발생시킬 수 있도록 상기 y축 부재의 중심축으로부터 편심 배치될 수 있다.

바람직하게, 상기 질량체(4)는 중력가속도 기준 100G 이하에서 지지단(20)과 접촉 시작되고 또한 중력가속도 기준 1000G 이상에서 상기 지지단과 완전 접촉되도록 설정될 수 있다. (도 4b ~ 4d를 참조한다)

마찬가지로 y축 부재(3)는 중력가속도 기준 1000G 이상에서 상기 지지단과 접촉 시작되고 또한 중력가속도 기준 10000G 이상에서 상기 지지단과 완전 접촉되도록 설정될 수 있다.

참고로 도 3, 4는 본 발명의 기술사상을 이해하기 쉽도록 개념적으로 (왜곡되게) 도시한 것이며 도 5, 6은 실제 초 고충격을 견뎌낼 수 있도록 설계한 실시예의 가속도 센서를 도시한 것이다.

실시예의 가속도 센서는 다양한 환경에서의 안정성을 도모하기 위하여 스테인리스 강판 STS304 재질을 사용하였다. STS 304는 냉간 압연 강판으로 탄성계수(Young's Modulus)는 193 GPa이며, 탄성한계, 즉 항복강도(Yield Strength)는 1014 MPa, 파단강도(Tensile Strength)는 1200 MPa이다.

얇은 부재(x, y 부재)의 최소 단면 두께는 20 μm이며 각부재 및 질량체와 지지단과의 간극은 50μm으로 설정되었으며 금속 습식식각공정, 마이크로 방전 가공 등을 통해 제작 가능하다.

지지단의 길이와 너비는 각각 3.4 mm, 1.5 mm로서 전체적으로 초소형 소자이므로 소형 신관의 회로기판에 충분히 실장(mounting) 가능하다.

압저항 소자(2)는 측정구역 A에 작용하는 비틀림 변형과 굽힘 변형을 모두 표면 변형률로 인식할 수 있는 V자 모양으로 형성되어 y축 부재(3)에 근접한 상기 x축 부재(1)의 측정구역(A)에 부착되며 상기 측정구역(A)의 표면 변형률에 비례한 전기저항을 발생시키케 된다.

정확히 표현하자면, V자 모양이되 가운데 부분이 끊어진 2개의 길쭉한 소자가 서로 마주보고 45도 각도로 배치된 것이다.

통상적으로 압저항 소자란 변형에 따라 발생하는 응력(stress)에 의존하여 저항값이 변화하는 소자로 알려져 있으며, 예컨대 표면이 늘어나는 방향으로 인장응력이 분포된 곳에 위치된 경우라면 저항값이 증가하며 표면이 줄어드는 방향으로 압축응력이 분포된 곳에 위치된 경우에는 저항값이 감소한다.

센서소자로서 이용되는 압저항(Piezo resistor)의 종류에는 저항의 변화로써 검출하는 응력의 종류에 따라 일반 응력형(Normal stress type)과 전단 응력형(Shear stress type)으로 나눌 수 있다.

일반 응력형은 4개의 압저항을 배치하고 각 저항을 휘스톤 브릿지 (Wheatston bridge)로 구성함으로써 감도를 향상시킬 수 있고, 오프셋 및 여러 가지 노이즈 문제 등을 어느 정도는 해결할 수 있다.

본 발명에서는 전단 응력형의 압저항 소자를 사용하는데 전단 응력형은 보통 "단일 요소 4개 터미널(Single-element four-terminal)"이라고 하는 한 개의 압저항을 배치하여 응력의 변화를 측정할 수 있다. 여기서 전단응력이란 부재의 표면에 수직인 응력의 반대되는 개념으로서 부재를 절단하거나 찢어내는 방향의 응력만을 의미하는 것은 아니며, 부재의 표면에 평행한 방향의 응력으로 정의된다.

본 실시예의 압저항 소자는 측정구역 (A) 지점의 x축 부재의 재질특성을 고려하여 허용 측정 변형률을 1 με ~ 600 με (1 με(마이크로스트레인)은 1m가 0.001mm 만큼 늘어난 것)으로 설정하였다.

변형률 ε는 x축 부재의 탄성계수(modulus of elasticity)에 비례하므로 탄성한계의 60% 이하를 사용하는 셈이다.

만약 측정구역의 표면변형률(표면 전단변형률)을 좀 더 키우고 싶다면 해당 측정구역(A)에서 x축 부재(1)의 단면폭이 좁아지도록 형성시키면 된다. 반대로 측정구역의 표면변형률을 조금 줄이고 싶다면 해당 측정구역에서 x축 부재의 단면폭이 넓어지도록 형성시킨다. 도 4 ~ 도 6에서와 같이 단면폭이 좁아진 측정구역은 좀 더 많이 비틀리거나 좀 더 많이 굽어지며 이는 유한요소 해석결과로도 잘 나타난다.

도 4a와 같은 초기 상태에서 x축 부재(1)와 y축 부재(3)의 질량이 질량체(4)에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다고 가정하면 미소한 가속도가 작용하는 상황에서 x축 부재를 따라 작용하는 굽힘모멘트의 변화는 마치 x축 부재 끝에 질량체가 매달려 있는 것과 유사하며 종래의 외팔보형 가속도 센서와 같은 경향을 나타낸다.

반면에 동일한 조건에서 x축 부재에 작용하는 토크, 즉 비틀림 모멘트는 모멘트암의 길이가 되는 y축 부재의 길이가 x축 부재 전체에 걸쳐서 일정하므로 x축 부재 전체에서 일정한 값을 가진다.

굽힘모멘트가 최소가 되는 지점, 즉 x축 부재의 어떤 지점이되 y축 부재에 매우 가까운 끝단 연결부 지점에 압저항 소자를 부착시킨다면 이 지점(측정구역 A가 된다.)에서 압저항 소자는 굽힘모멘트의 영향을 거의 받지 않고 오직 토크에 의한 비틀림 모멘트의 영향만을 받게 된다.

이에 따라 z축 방향으로 가속도 작용 시 외팔보의 y축 부재가 x축 부재에 가하는 비틀림 모멘트에 의해 발생되는 x축 부재의 전단변형률을 측정하여 낮은 범위의 가속도를 측정할 수 있다.

도 4b에서와 같이 비틀림 변형이 x축 부재에 발생하면 x축 부재는 마치 드릴 모양처럼 살짝 꼬이는 형상이 된다. 이때 압저항 소자를 V자 모양으로 만들어 측정구역(의 x축 부재 표면)에 부착시킨다면 x축 부재가 살짝 꼬이는 비틀림 변형형태를 x축 부재의 중심축 좌우 대각선 방향으로 발생하는 각각의 표면 인장변형으로 나누어 측정한 다음에 각 변형을 더할 수 있는 것이다.

다시 말해 x축 부재가 비틀릴 때 x축 부재의 xy평면상 표면에서는 전단과 인장 압축이 복합된 변형이 생기는데, 이때 중심에서 45도 방향은 전단 성분이 아닌 순수 (표면)인장 또는 (표면)압축만 일어난다. 바로 이 성질을 이용하는 것이다.

V자 모양의 방향은 도면상에서 볼 때 < 나 > 가 아닌 V 또는 ∧ 방향 이어야 하며 벌어진 각도는 x축 부재의 비틀림 특성을 조사하여 적절히 조절될 수 있다.

질량체(4)와 x축 부재(1)와, y축 부재(3)의 강성과 질량을 적절히 조절하여 도 4a와 같은 상황을 만들고 그 상황에서 미소한 가속도가 측정 가능하였다면 이제는 중간 이상의 가속도를 측정할 수 있어야 한다. 이것은 질량체 뿐만 아니라 y축 부재의 상당부분 이상이 지지단에 밀착하는 상당한 가속도의 작용상황이다. 이때 x축 부재는 마치 자신의 끝단에 매우 가벼운 질량체가 달려있는 것처럼 거동한다.

도 4c에서 압저항 소자(2)는 x축 부재(1)의 굽힘모멘트에 의한 적당한 양의 전단변형(인장변형)에 더하여, 질량체와 그것에 연결된 y축 부재(3)가 유발하는 미소량의 비틀림모멘트에 의한 미소하게 인장 변형된다.

포발사 충격에 비견될 수 있는 도 4d의 강력한 가속도 작용상황에서 y축 부재(3)는 전체가 납작한 모양으로 지지단(20)에 완전히 붙어있으며, x축 부재(1) 마저도 말단 부분이 지지단에 붙어 있는 상황이다. 이때 측정구역(A)에서 굽힘모멘트는 음의 전단변형(압축변형)이 작용하며 비틀림 모멘트는 작용하지 않는다.

정리하면 y축 부재에 작용하는 힘이 x축 부재에 굽힘모멘트 거의 없이 순수 비틀림 변형만으로 작용할 때 양의 값(V자형 소자 양쪽 각각의 인장 변형)으로 발생되고, x축 부재의 말단까지 지지단에 닿는 고도의 굽힘 상황에서는 음의 값(압축에 따른 전단변형)으로 발생된다. 중간 변형단계인 y축 부재 전체가 지지단에 밀착되는 상황에서는 x축 부재 자체에 가해지는 굽힘-비틀림 모멘트에 의해 발생되는 표면 변형률을 측정하여 중간 범위의 가속도를 측정할 수 있다.

x축 부재에 비틀림은 거의 없고 굽힘이 아주 큰 상황을 가정해보자. 이것은 아래 도 4d와 유사한 상황이다. y축 부재가 완전히 납작하게 붙어 있는 상황이므로 x축 부재의 xy표면(상면)에는 순수한 압축응력만 작용한다. 이때 대각선 방향으로 배치된 V자형 압저항 소자의 변형률은 수직방향으로 나란히 배치된 압저항 소자의 변형률보다 1.414배 더 커질 것이다. 이 같은 부분을 고려하여 각각의 전기저항값에 해당하는 변형률을 구간별로 다른 근사함수로 도출할 필요가 있다.

실시예의 센서를 가지고 총 14번의 실험을 수행하였다. 도 5a는 가장 미소한 가속도인 0.1G 상황에서의 첫번째 실험결과이다. 이것은 도 4b와 유사한 상황이다. 측정구역에서 최대 전단탄성변형이 발생되는 -2.0424e-6지점은 측정구역 근방이며 음의 값이으로 비틀림 변형은 표면이 줄어드는 압축 변형으로 표시된다. (압저항 소자의 V자 배열 방향에 따라 부호가 바뀔 수 있다.)

도 5b 역시 도 4b와 유사한 변형 양태를 보이고 있으며 측정구역 부근의 지점에서는 -5.5485e-4의 음의 값으로서 3000G 정도의 가속도 상에서도 y축 부재의 비틀림 모멘트에 주로 영향 받는 것을 알 수 있다.

도 5c는 10,000 G의 가속도가 작용하였을 때 x, y축 부재와 측정구역의 변형을 유한요소법으로 해석한 시뮬레이션 화면이다. 도 5c는 도 4c와 유사한 변형 양태를 보이고 있으며 x축 부재가 전반적으로 음의 값을 보이고 있으므로 거꾸로 굽어있음을 나타낸다.

도 5d는 40,000 G의 가속도가 작용하였을 때 x,y축 부재와 측정구역의 변형을 유한요소법으로 해석한 시뮬레이션 화면이다. 도 5d는 도 5c의 변형양태가 좀더 심화된 양상을 보인다. 최대 전단탄성변형이 발생되는 지점은 고정단 근처이며 최대 High G 영역에서 항복강도(Sy = 1014 MPa)를 초과하지 않았으므로 결과적으로 1단계 (0.1G)에서 15단계 (40000G)까지 본 실시예의 가속도 센서는 항복강도를 초과하지 않는다.

도 6은 상기 도 5에서의 실험을 종합한 것으로서 0.1 G ~ 40,000 G의 가속도 범위를 14 단계로 나누어 각각의 지점에서 측정한 표면변형률을 나타낸 그래프이다.

2단계 값인 10G 이하에서도 표면변형률은 102με 정도가 발생한다. 이에 따라 발사체를 떨어뜨리는 등의 취급 부주의 상황에서 안전확보를 위한 가속도 감지도 가능하다.

도 6의 그래프 상에서 4번째 값인 70G 정도에서 질량체는 지지단에 접촉되기 시작한다. 이 부근에서 y축 부재의 비틀림 모멘트는 점차 줄어들어 추세선 하단의 측정값을 보이게 됨을 알 수 있다.

위 변형들이 연속적이라면 압저항소자(2)가 측정하는 표면변형률은 도 6의 그래프와 같이 점차 늘어났다가 점차 줄어들게 된다. 그러나 대부분의 발사체에서 낮은 가속도와 높은 가속도는 동시에 발생하거나 연속적으로 발생하지 않으므로 각각의 변형률에 의한 전기저항 값을 절대값으로 환산하여 계량화하면 다양한 발사체 및 그 신관 안전장전장치에 공용으로 호환될 수 있는 광범위 가속도 측정센서가 얻어진다.

이상 본 발명의 기술사상을 구체적인 실시예를 통해 설명하였다. 덧붙여 본 실시예에서 미처 포함되지 않은 단순 변경 또는 간단 확장 사례가 있을 수 있겠으나, 본 발명의 기술사상은 실시예의 기술적 해석범주보다는 이하의 청구범위에서 기재되는 내용을 바탕으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 의한 광범위 가속도센서는 동적 안정성을 무너뜨리는 미묘한 미끄러짐 등 낮은 범위의 가속도 감지와, 자동항법주행에 필요한 중간 범위의 가속도 감지, 그리고 충돌 시 지능적인 탑승객 보호에 필요한 높은 범위의 가속도 감지 등 지상주행물체의 가속도 센서에 요구되는 모든 범위의 가속도에 충분히 대응 가능하며, 광범위한 영역에서 정확성과 측정 용이성을 함께 제공할 수 있으므로 군용 및 민간용 비행체는 물론 지상주행 차량용 통합 가속도 센서 개발에도 효과적으로 이용될 수 있다.

1: x축 부재
2: 압저항소자 (piezo resistor)
3: y축 부재
4: 질량체(proof mass)
A: 측정구역
10: 고정단(fixed end)
20: 지지단(stopper)

Claims (6)

1. z축 방향으로 가속도가 작용하도록 배치된 가속도센서에 있어서,
   yz평면에 형성되는 고정단;
   상기 고정단에 한쪽 끝이 고정된 x축 부재와, 상기 x축 부재의 다른쪽 끝에서 연장된 y축 부재로 형성되어 xy평면을 따라 L자 모양으로 굽어진 일체형 외팔보(cantilever);
   상기 외팔보의 자유단 쪽에 형성되는 질량체; 및
   상기 외팔보 및 상기 질량체와 z축 방향으로 소정의 간극을 두고 배치되는 지지단;을 포함하여 구성되는 가속도 센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 y축 부재에 근접한 상기 x축 부재의 측정구역에는 압저항 소자가 부착되고,
   상기 압저항 소자는 상기 측정구역의 표면변형률에 비례한 전기저항을 발생시키는 가속도 센서.
3. 제2항에 있어서,
   상기 압저항 소자는 상기 측정구역 내 상기 x축 부재의 비틀림 변형과 굽힘 변형을 모두 표면변형률로 인식할 수 있는 V자 모양으로 형성되는 가속도 센서.
4. 제3항에 있어서,
   상기 x축 부재는 상기 측정구역에서 그 단면폭이 좁아지도록 형성되는 가속도 센서.
5. 제3항에 있어서,
   상기 질량체는 상기 지지단에 완전 접촉되지 않은 가속도 작용환경에서 상기 측정구역에 발생되는 굽힘 모멘트의 일부 또는 전부를 상쇄하는 비틀림 모멘트를 상기 y축 부재에 발생시킬 수 있도록 상기 y축 부재의 중심축으로부터 편심 배치되는 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
6. 제3항에 있어서,
   상기 질량체는 중력가속도 기준 100G 이하에서 상기 지지단과 접촉 시작되고 또한 중력가속도 기준 1000G 이상에서 상기 지지단과 완전 접촉되도록 설정되며,
   상기 y축 부재는 중력가속도 기준 1000G 이상에서 상기 지지단과 접촉 시작되고 또한 중력가속도 기준 10000G 이상에서 상기 지지단과 완전 접촉되도록 설정되는 가속도 센서.

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