KR101986654B1 - 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치 - Google Patents

반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치 Download PDF

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Abstract

반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치가 개시된다. 본 발명에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치는, 진공 챔버 내부에서 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치에 있어서, 상기 반구형 공진기가 배치되는 본체부; 상기 본체부에 배치된 다수의 가속도 센서부; 및 상기 본체부를 지지하는 지지부;를 포함한다.

Description

반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치{FORCE MEASURING APPARATUS FOR MASS IMBALANCE MEASUREMENT OF HEMISPHERICAL RESONATOR}
본 발명은 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반구형 공진기를 내부에 수용하여 고정시키는 본체부와 가속도 센서부를 통해 반구형 공진자이로의 반구형 공진기의 질량 불균일을 측정할 수 있는, 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치에 관한 것이다.
반구형 공진자이로(Hemispherical Resonator Gyroscope)는 와인잔과 비슷한 반구형의 얇은 Shell 형태로 제작되며 전기적인 힘에 의해서 타원형태의 진동모드로 가진 된다. 정상파가 형성되어 있는 공진기에 회전이 인가될 때 코리올리(Coriolis) 효과로 인해 정상파의 움직임이 회전입력에 동일한 비율로 발생하는 현상을 이용하여 회전각이나 각속도를 측정하는 정밀 센서이다.
반구형 공진자이로의 핵심부품인 반구형 공진기는 축 대칭으로 설계가 되지만, 실제로는 제작 공차 및 재료의 불균일 분포 및 가공오차가 존재하여 축 대칭으로 형성되기 어려우며, 이로 인해 도 1b와 같이 반구형 공진기에 질량 불균일이 발생하게 된다.
반구형 공진기의 질량 불균일은 반구형 공진자이로에 원하지 않는 힘과 모멘트를 발생시키게 되어, 반구형 공진자이로의 성능을 저하시키게 된다. 즉, 질량 불균일은 반구형 공진기를 지지하고 있는 부분에 힘을 전달하게 되고 공진기의 진동모드와는 별도로 추가 에너지손실을 발생시켜 더 많은 Power를 소비하게 하며 이것이 반구형 공진자이로의 에러의 원인이 된다.
이러한 문제를 해결하기 위한 반구형 공진기의 질량 불균일을 측정하는 장치들이 지속적으로 개발되고 있지만, 반구형 공진기의 질량 불균일을 정확히 검출하지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 전술한 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 반구형 공진기를 지지하는 본체부와 가속도 센서부를 이용하여 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치를 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치는, 진공 챔버 내부에서 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치에 있어서, 상기 반구형 공진기가 배치되는 본체부; 상기 본체부에 배치된 다수의 가속도 센서부; 및 상기 본체부를 지지하는 지지부; 를 포함한다.
상기 본체부는, 직육면체 형상의 본체; 상기 본체의 내부에 구비되어 상기 반구형 공진기를 수용하는 공진기 수용부; 및 상기 본체의 하부에 형성되며, 상기 가속도 센서부가 장착되는 센서장착부;를 포함한다.
상기 센서장착부는 상기 본체부의 코너부에 각각 배치된다.
상기 반구형 공진기의 길이방향과 평행한 Z축 방향의 가속도를 측정하는 Z축 가속도 센서가 장착되는 제1 수용부; 상기 Z축 방향과 연직인 X축 방향의 가속도를 측정하는 X축 가속도 센서가 장착되는 제2 수용부; 및 상기 X축 방향과 수직인 Y축 방향의 가속도를 측정하는 Y축 가속도 센서가 장착되는 제3 수용부;를 포함한다.
상기 반구형 공진기는 전극블럭 및 베이스와 결합된 공진기 조립체의 상태로 상기 본체부의 내부에 장착된다.
상기 공진기 조립체는 결합부에 의해 상기 본체부와 고정 결합된다.
상기 가속도 센서부로부터 측정된 가속도를 통해 상기 반구형 공진기의 질량 불균일에 의한 힘을 산정하는 힘 산정부;를 더 포함한다.
상기 힘 산정부는, X,Y,Z 축의 불균일 힘과 불균일 모멘트를 산정한다.
상기 지지부는, 상기 본체부의 상부에 연결된 와이어부; 및 상기 와이어부와 결합하는 와이어 결합부;를 포함하며, 상기 와이어 결합부와 상기 와이어어부는 적어도 하나 이상으로 형성된다.
상기 와이어부는 상기 진공 챔버 상부에 구비된 스프링부에 결합된다.
상기 지지부는 상기 본체부의 하부에 배치되는 방진 마운트부이며, 상기 본체부는 상기 지지부에 고정된다.
상기 반구형 공진기는 상기 본체부의 상부에 배치된다.
본 발명에 따르면, 반구형 공진기를 내부에 수용하여 고정시키는 본체부와 가속도 센서부, 와이어부 또는 방진 마운트부를 이용하여 질량 불균일을 정밀하게 측정할 수 있다.
도 1a는 반구형 공진기 조립체를 나타내는 사시도,
도 1b는 질량 불균일의 종류를 나타내는 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치가 진공 챔버에 장착된 것을 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치의 사시도,
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치의 단면도,
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치의 본체부 개략 사시도,
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치의 배치도,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치의 힘 측정방법을 나타내는 개략도,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치의 사시도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 2는 본 발명에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치가 진공 챔버에 장착된 것을 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치의 사시도이며, 도 4a는 본 발명에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치의 단면도이며, 도 4b는 본 발명에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치의 본체부 개략 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치가 진공 챔버에 장착된 것을 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치의 사시도이며, 도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치의 단면도이며, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치의 본체부 개략 사시도이며, 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치의 배치도이며, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치의 힘 측정방법을 나타내는 개략도이다.
도 2 내지 도 4b를 참조할 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치(100)는, 진공 챔버(20) 내부에 배치되며, 본체부(110), 가속도 센서부(120), 지지부(130, 140, 150), 힘 산정부(160)를 포함한다.
본체부(110)는 반구형 공진기 조립체(10)를 내부에 수용하여 고정시키는 것이다.
반구형 공진기 조립체(10)는 도 1a와 같이, 반구형 공진기(11), 반구형 공진기(11)를 구동하는 전극블럭(13), 전극블럭을 지지하는 베이스(15)를 포함한다.
반구형 공진기 조립체(10)는 공지된 구성인바, 상세한 설명은 생략한다.
본체부(110)의 상부에는 와이어 결합부(130)가 형성되어 와이어부(140)의 일단은 와이어 결합부(130)에 체결되며 타단부는 스프링부(150)에 결합한다. 또한, 본체부(110)의 하부에는 다수의 가속도 센서부(120)가 구비된다.
본체부(110)는, 본체(111), 공진기 수용부(113), 센서장착부(115), 결합부(117)를 포함한다.
본체(111)는 직육면체로 형성되며, 상부에 다수 개의 와이어 결합부(130)가 결합되도록 형성되며, 본체(111)의 내부에는 공진기 수용부(113)가 형성된다. 본체(111)는 직육면체 형상으로 형성되는 것으로 예시하였으나, 반구형으로 형성되는 것도 물론 가능하다.
이때 반구형 공진기 조립체(10)와 본체(111)의 무게중심은 일치시키도록 배치한다.
반구형으로 형성되는 본체(111)의 상부에 다수 개의 와이어 결합부(130)가 형성되며, 본체(111)의 하부의 코너영역을 따라 다수 개의 센서장착부(115)가 형성된다.
공진기 수용부(113)는 본체(111)의 내부에 형성되어, 반구형 공진기 조립체(10)를 수용하는 것이다. 공진기 수용부(113)는 본체(111)의 상부 일부와 본체(111)의 하부에 걸쳐 본체(111)의 내부에 형성된다.
반구형 공진기 조립체(10)는 결합부(117)에 의해 결합하며, 결합부(117)는 미도시된 체결부재나 접착재로 형성될 수 있다.
센서장착부(115)는 본체(111)의 하부에 형성되며, 가속도 센서부(120)가 장착되는 것이다.
센서장착부(115)는 본체부(110)의 코너영역을 따라 4 곳에서 이격되어 배치된다.
도 5a 및 도 5b를 참조할 때, 센서장착부(115)는 X,Y 평면의 4곳에서 각각 3개의 가속도 센서를 장착하도록 형성된다.
즉, 도 5b를 참조할 때, 센서장착부(115)는 (a,a), (a, -a), (-a, a), (-a,-a)위치에 각각 형성될 수 있다.
센서장착부(115)의 형성 개수는 4 개로 예시하였으나, 측정의 정밀도/정확도를 고려해 5개 이상으로 할 수 있음은 물론이다.
센서장착부(115)는, 반구형 공진기(11)의 길이방향과 평행한 Z축 방향의 가속도를 측정하는 Z축 가속도 센서(125)가 장착되는 제1 수용부(115c), Z축 방향과 직교하는 X축 방향의 가속도를 측정하는 X축 가속도 센서(121)가 장착되는 제2 수용부(115a), X축 방향과 수직인 Y축 방향의 가속도를 측정하는 Y축 가속도 센서(123)가 장착되는 제3 수용부(115b)를 포함한다.
결합부(117)는 반구형 공진기 조립체(10)의 하부를 본체(111)에 대해 고정시키는 것으로, 이때 결합력은 최대한 유사하도록 토크드라이버를 사용한다.
결합부(117)에 의해 반구형 공진기 조립체(10)의 반구형 공진기(11)는 안정적으로 공진기 수용부(113)에 수용될 수 있다.
가속도 센서부(120)는 본체(111)의 하부의 원주를 따라 4 곳에 형성될 수 있으며, 각 위치에는 X,Y,Z 축 가속도 센서(121, 123, 125)가 장착된다.
가속도 센서부(120)는 공진 챔버(20) 내부에서 전기적인 힘에 의해 반구형 공진기가 동작될 때, 12 개의 가속도계에서 가속도 값을 측정하며, 공진기 동작 시 불균일 질량에 의해 발생하는 힘과 모멘트에 의한 가속도를 측정하게 된다.
지지부는 와이어 결합부(130), 와이어부(140), 스프링부(150)를 포함한다.
와이어 결합부(130)는 본체부(110) 상부에 형성되어 진공 챔버(20) 상부에 고정결합하는 와이어부(140)에 연결된다.
와이어 결합부(130)와 와이어부(140)는 1개 또는 여러 개로 형성되며, 이는 가속도 센서부(120) 이외의 부분에서 가속도 센서부(120)로 전달될 수 있는 원치 않는 힘을 제거하기 위한 것이다.
즉, 와이어부(140)는 1개 또는 여러 개로 형성됨으로써, 초기 세팅 시 X,Y,Z축 방향의 힘이 서로 상쇄되어 안정적으로 본체부(110)를 공진 챔버(20) 내부에 세팅하도록 하며, 반구형 공진기가 동작될 때에도 반구형 공진기를 동작시키는 힘 외에 다른 힘과 모멘트가 발생하지 않도록 하여 가속도 측정의 정확도와 정밀도를 향상시킬 수 있다.
와이어부(140)는 진공 챔버(20) 상부에 구비된 스프링부(150)에 고정결합된다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치의 힘 측정방법을 나타내는 개략도이다.
반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치(100)는 미 도시한 힘 산정부(160)를 더 포함할 수 있다.
힘 산정부(160)는 가속도 센서부(120)로부터 측정된 가속도를 통해 반구형 공진기의 질량 불균일에 의한 힘을 산정하는 것이다.
힘 산정부(160)는, X,Y,Z 축의 불균일 힘과 불균일 모멘트를 산정하는 것이다.
도 6a를 참조하면, 반구형 공진기의 임의의 위치에서의 일반적인 거동은 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112017127210375-pat00001
위 식에서 변위를 두 번 미분하여 가속도항을 만들고 미소질량 ρ를 곱한 후 각각의 미소 Z 방향(임의의 α) 힘들을 적분하면 도 6b와 같이 공진기 쉘에서 발생되는 전체적인 힘(Force)과 반구형 쉘의 중심에서 미소질량벡터 r로 대표되는 임의의 점에서 모멘트(Moment)도 함께 계산될 수 있다.
상기 전체적인 힘과 모멘트는 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112017127210375-pat00002
가속도 센서부(120)로부터 측정되고, 수학식 2로부터 산정된 X,Y,Z 방향의 총 힘과 모멘트는 수학식 3으로 표현될 수 있다.
Figure 112017127210375-pat00003
힘 산정부(160)는, 각 방향으로의 가속도는 힘과 모멘트의 합에 비례하므로 힘과 모멘트의 합을 구함으로써 전체 공진기조립체(10)의 질량불균일에 의한 Total 힘과 모멘트를 구할 수 있다.
이에, 반구형 공진기의 진동 시 에너지 손실을 발생시키는 질량 불균일이 공진기를 지지하고 있는 부분들에 힘을 전달하게 되는데, 본 발명은 질량 불균일을 해소하기 위하여 이 힘을 정밀하게 측정할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치의 사시도이다.
도 7을 참조할 때, 본 발명의 다른 실시예에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치(200)는 대부분의 구성이 본 발명의 일 실시 실시예에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치(100)와 동일하다. 이에, 대응되는 구성에 대하여 대응되는 도면부호를 사용하였다.
이하, 상이한 구성을 중심으로 설명한다.
공진기 조립체(10)는 본체부(210)의 상부에 장착된다. 본 실시예에서 공진기 조립체(10)가 본체부(210)의 상부에 장착되는 것으로 예시하였으나, 공진기 조립체(10)의 일부가 본체부(210)의 내부에 일부 수용되고, 나머지 일부가 본체부(210)의 상부에 돌출되도록 형성되는 것도 물론 가능하다.
가속도 센서부(220)는 공진 챔버(20) 내부에서 전기적인 힘에 의해 반구형 공진기가 동작될 때, 12 개의 가속도계에서 가속도 값을 측정하며, 공진기 동작 시 불균일 질량에 의해 발생하는 힘과 모멘트에 의한 가속도를 측정하게 된다.
지지부(230, 240)는 본체부(210)의 하부에 배치되는 방진 마운트부(240)와 방진 마운트부(240)와 본체부(210)를 연결하는 연결부(230)를 포함한다.
이 때, 본체부(210)는 연결부(230)에 의해 방진 마운트부(240)와 고정결합된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치(200)는 본체부(110)를 진공챔버 내 와이어부와 스프링부에 연결하는 대신 강성이 약하고 탄성체로 형성되는 방진 마운트부(240) 상부에 본체부(210)를 고정시켜 질량불균일을 측정하게 된다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치
110: 본체부
120: 가속도 센서부
130: 와이어 결합부
140: 와이어부
150: 스프링부
160: 힘 산정부
200: 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치
210: 본체부
220: 가속도 센서부
230: 연결부
240: 방진 마운트부

Claims (12)

  1. 진공 챔버 내부에서 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치에 있어서,
    상기 반구형 공진기가 배치되는 본체부;
    상기 본체부에 배치된 다수의 가속도 센서부; 및
    상기 본체부를 지지하는 지지부;
    를 포함하며,
    상기 본체부는,
    직육면체 형상의 본체;
    상기 본체의 내부에 구비되어 상기 반구형 공진기를 수용하는 공진기 수용부; 및
    상기 본체의 하부에 형성되며, 상기 가속도 센서부가 장착되는 센서장착부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치.
  2. 진공 챔버 내부에서 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치에 있어서,
    상기 반구형 공진기가 배치되는 본체부;
    상기 본체부에 배치된 다수의 가속도 센서부;
    상기 본체부를 지지하는 지지부; 및
    상기 가속도 센서부로부터 측정된 가속도를 통해 상기 반구형 공진기의 질량 불균일에 의한 힘을 산정하는 힘 산정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치.
  3. 진공 챔버 내부에서 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치에 있어서,
    상기 반구형 공진기가 배치되는 본체부;
    상기 본체부에 배치된 다수의 가속도 센서부; 및
    상기 본체부를 지지하는 지지부;
    를 포함하며,
    상기 지지부는,
    상기 본체부의 상부에 연결된 와이어부; 및
    상기 와이어부와 결합하는 와이어 결합부;를 포함하며, 상기 와이어 결합부와 상기 와이어어부는 적어도 하나 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센서장착부는 상기 본체부의 코너부에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 센서장착부는,
    상기 반구형 공진기의 길이방향과 평행한 Z축 방향의 가속도를 측정하는 Z축 가속도 센서가 장착되는 제1 수용부;
    상기 Z축 방향과 연직인 X축 방향의 가속도를 측정하는 X축 가속도 센서가 장착되는 제2 수용부; 및
    상기 X축 방향과 수직인 Y축 방향의 가속도를 측정하는 Y축 가속도 센서가 장착되는 제3 수용부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반구형 공진기는 전극블럭 및 베이스와 결합된 공진기 조립체의 상태로 상기 본체부의 내부에 장착되는 것을 특징으로 하는 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 공진기 조립체는 결합부에 의해 상기 본체부와 고정 결합되는 것을 특징으로 하는 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 힘 산정부는, X,Y,Z 축의 불균일 힘과 불균일 모멘트를 산정하는 것을 특징으로 하는 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치.
  9. 삭제
  10. 제3항에 있어서,
    상기 와이어부는 상기 진공 챔버 상부에 구비된 스프링부에 결합되는 것을 특징으로 하는 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지부는 상기 본체부의 하부에 배치되는 방진 마운트부이며,
    상기 본체부는 상기 지지부에 고정되는 것을 특징으로 하는 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 반구형 공진기는 상기 본체부의 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 반구형 공진기의 질량 불균일 측정을 위한 힘 측정장치.
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