KR102250987B1 - 압축형 가속도 센서 및 이의 조립 방법 - Google Patents
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Abstract
압전체의 크기 및/또는 형태의 제한없는 완충층을 이용한 압축형 가속도 센서가 개시된다. 상기 압축형 가속도 센서는, 질량체, 상기 질량체가 내측에 설치되게 안착 공간이 형성되고, 상기 질량체와 접촉되며 부피의 크기가 서로 다른 압전 단결정이 설치되는 하우징, 및 상기 하우징과 결합되는 베이스를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 가속도 센서 기술에 대한 것으로서, 더 상세하게는 벡터 하이드로폰 중 관성(Inertial) 타입에 사용되는 가속도 센서 및 이의 조립 방법에 관한 것이다.
하이드로폰(즉, 수중 청음기)이란, 수중의 음향 신호를 수신하여 표적에 대한 정보를 산출하는 장치인 트랜스듀서이다. 일반적인 하이드로폰은 음파의 크기(즉, 음압)만을 측정하며 수신 음파의 파장 대비 크기가 작아 무지향성(omni-directional) 특성을 가지므로 (두 개 이상의 하이드로폰을 배열로 사용하지 않는 한) 단일 하이드로폰만으로는 표적의 방위정보를 파악할 수 없다.
반면, 벡터 하이드로폰은 음파의 크기뿐만 아니라 입사 방향까지 측정할 수 있는 트랜스듀서를 말한다. 벡터 하이드로폰의 종류로는 입사되는 음파의 압력 구배를 이용하는 압력 경도(Pressure gradient) 타입, 가속도 정보를 이용하는 관성(Inertial) 타입, 속도 정보를 측정하는 속도 센서(Velocity sensor) 타입 등을 들 수 있다. 또한, 그밖에 MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems) 기술을 이용한 유량 센서(flow sensor)나 단일 하이드로폰의 섹터를 분리한 멀티 모드 센서(multi-mode sensor) 등의 형태도 있다. 이 중 유량 센서(flow sensor) 형태를 제외하면 대부분 하이드로폰 자체가 특정 빔 패턴을 가짐으로써 이를 이용해 수신 음향 신호의 입사 방향을 추정한다.
또한, 가속도 센서는 매우 다양한 형태가 개발되어 있으나, 주로 압전재료를 이용한 압전(piezoelectric) 방식이 많이 사용된다. 감응 원리에 따라 크게 압축형과 전단형으로 나눌 수 있다. 도 1은 일반적인 압축형 압전 가속도센서의 구조를 나타낸 것이고, 도 2는 분극 방향과 출력 방향을 나타낸다.
이러한 압축형 가속도 센서는 대부분 질량체(mass)와 압전체(압전재료), 그리고 베이스(base)로 이루어진 구조를 가지고 있다. 압축형 가속도 센서는 압전재료의 종방향 모드(d33)를 이용한 것으로 압전 소자의 분극(polling) 방향과 전압을 측정하는 방향이 동일하다. 종방향 모드를 이용한 압축형 가속도 센서에서 질량체를 압전체 상부에 부착 시 주파수 대역 감소와 더불어 감도를 향상시킨다.
그러나, 이러한 방식의 가속도 센서는 질량체와 압전체를 결합하기 위하여 두 물체 중앙에 구멍을 형성시킨 후 볼트와 같은 물리적인 구조물을 통해 이를 결합시킨다. 따라서 이러한 구조에서는 압전체의 크기 및 형태가 제한적이며, 압전체 내에 형성되는 구멍은 센서의 감도에 부정적인 영향을 미치게 되는 문제점이 있다.
1. A. C. Tims, R. L. Davidson, and R. W. Timme, "High sensitivity piezoelectric accelerometer," Review of Scientific Instruments 46, 554 (1975)
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 압전체의 크기 및/또는 형태의 제한없는 완충층을 이용한 압축형 가속도 센서 및 이의 조립 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 압전 단결정의 두께가 일정한 상태에서, 질량체의 크기가 크면서 동시에 상대적으로 압전 단결정 면적이 작은 조건에서도 감도가 향상되는 완충층을 이용한 압축형 가속도 센서 및 이의 조립 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해 압전체(즉, 압전 단결정)의 크기 및/또는 형태의 제한없는 완충층을 이용한 압축형 가속도 센서를 제공한다.
상기 압축형 가속도 센서는,
질량체;
상기 질량체가 내측에 설치되게 안착 공간이 형성되고, 상기 질량체와 접촉되며 부피의 크기가 서로 다른 압전 단결정이 설치되는 하우징; 및
상기 하우징과 결합되는 베이스;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 압전 단결정의 주변면에 완충층이 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 완충층은 상기 질량체의 기저면에 위치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 완충층은 상기 질량체의 기저면에 접착제를 통해 서로 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 완충층은 링 형태인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 완충층은 상기 질량체와 베이스 사이에 균형을 유지시킴과 동시에 상기 질량체가 받는 음압을 상기 압전 단결정에 전달하도록 고무재질인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 완충층과 압전 단결정간의 물리적인 간섭을 방지하기 위해 상기 완충층과 압전 단결정 사이에 일정한 간극이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 압축형 가속도 센서는, 상기 질량체의 상단면을 고정하는 고정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고정부는 볼트 형상인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 압축형 가속도 센서는, 상기 고정부와 볼팅 결합되며, 상기 하우징의 상단면의 내측에 형성되는 결합부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 압축형 가속도 센서는, 상기 안착 공간에 삽입되어 상기 질량체의 외주면을 감싸는 캡부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하우징의 상단면으로부터 일정 거리를 두고 내측에는 상기 고정부를 고정 지지하는 목부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 압전 단결정은 부피의 크기가 상기 질량체보다 상대적으로 작은 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 베이스를 준비하는 단계; (b) 상기 베이스에 압전 단결정을 설치하는 단계; (c) 상기 압전 단결정과 접촉되게 질량체를 배치하는 단계; 및 (d) 상기 질량체가 내측에 설치되게 안착 공간이 형성되는 하우징을 상기 베이스와 결합시키는 단계;를 포함하며, 상기 질량체와 압전 단결정은 부피의 크기가 서로 다른 것을 특징으로 하는 압축형 가속도 센서의 조립 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 높은 압전 응답성을 확보를 위해 압전체와 질량체 간의 결합 면적의 비율이 크게 감소된 구조의 압축형 가속도센서 제작이 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 이렇게 개선된 압축형 가속도센서는 음향 신호의 크기와 방향을 측정하는 수중 벡터 하이드로폰의 일부로 활용될 수 있을 뿐만 아니라, 공기중에서 많이 사용되고 있는 진동 가속도센서로의 활용도 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 압축형 압전 가속도 센서의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 압축형 압전 가속도 센서에 따른 분극 방향 및 출력 방향을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가속도계형 방향성 압전 센서의 압력 분포를 보여주는 실험 결과이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 압축형 가속도 센서의 투명 사시도이다.
도 5는 도 1에 도시된 압축형 가속도 센서를 I-I축으로 절개한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 압축형 압전 가속도 센서에 따른 분극 방향 및 출력 방향을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가속도계형 방향성 압전 센서의 압력 분포를 보여주는 실험 결과이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 압축형 가속도 센서의 투명 사시도이다.
도 5는 도 1에 도시된 압축형 가속도 센서를 I-I축으로 절개한 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 완충층을 이용한 압축형 가속도 센서 및 이의 조립 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
일반적으로 관성(Inertial) 타입의 벡터 하이드로폰은 무지향성 하이드로 폰과 가속도 센서의 두 개 파트로 구성되며, 입사 음파의 입자 움직임(particle motion)에 의한 전체 벡터 하이드로폰의 바디 움직임(oldy motion)을 측정한다. 즉, 음파의 크기를 측정하는 무지향성 하이드로폰 파트의 출력 신호와 쌍극자 형태의 빔 패턴을 갖는 가속도 센서 파트의 출력 신호를 조합하여 방향성을 가지는 심장형(cardioid) 빔 패턴을 만들어 낼 수 있다. 관성(Inertial) 타입의 벡터 하이드로폰의 경우, 비음향적(non-acoustic) 가진(예를 들면, 진동유기 소음)에 둔감하다는 장점이 있다. 단, 정확한 가속도 성분 측정을 위해서는 전체 벡터 하이드로폰이 중립적인(neutral) 지지구조(예를 들면, 유체 내 중성부력 상태)에 장착되는 것이 좋으며, 따라서 구성품들은 매우 제한된 크기와 중량을 가져야 한다. 본 발명의 일실시예에서는 이러한 구성품들의 크기 및/또는 중량에 대한 제한에 무관하게 고민감도를 실현하는 압축형 가속도 센서를 제공한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가속도계형 방향성 압전 센서의 압력 분포를 보여주는 실험 결과이다. 부연하면, 도 3은 보다 더 향상된 감지 성능을 위해 질량체(330)와 압전체(320)의 크기에 따른 감도 변화를 유한요소(FEM: Finite Elements Method) 수치해석으로 시뮬레이션한 그래프이다. 즉, 압전 체(320)의 상부에 질량체(330)가 배치된 구조에서 시뮬레이션한 그래프이다.
이 그래프를 통해 압전 단결정인 압전체(320)의 두께가 일정한 상태에서, 질량체(330)의 크기가 크면서 동시에 상대적으로 압전체(320)의 압전 단결정 면적이 작은 조건에서 감도가 향상되는 결과가 도출됨을 볼 수 있다. 확대도(310)는 압전체(320)의 일부를 확대하여 보여주며, 가로 세로 높이는 단위가 약 x103㎛가 된다. 또한, 세로 그래프는 압력의 크기(pa)를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 압축형 가속도 센서(400)의 투명 사시도이다. 도 4를 참조하면, 압축형 가속도 센서(400)는 하우징(420), 베이스(480), 음압을 받아 변형되는 질량체(330), 압전 단결정(440) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
하우징(420의 내측에는 질량체(330)가 설치되고, 상단면이 질량체(330)의 기저면과 접촉되며 크기가 서로 다른 압전 단결정(440)이 설치된다. 질량체(330) 대비하여 압전 단결정(440)은 부피가 상대적으로 작다. 이는 감도를 향상시키기 위한 것으로 질량체(330)의 부피는 최대한 크게 하게 압전 단결정(440)은 최대한 작아야 한다. 또한, 하우징(420)은 외관이 사각면체 형상이고, 질량체(330)는 사각면체 형상이 된다. 물론, 하우징(420) 및 질량체(330)는 원형, 육각면체형 등 다양한 형상이 가능하다. 또한, 하우징(420)의 내측에도 질량체(330)의 형상과 유사한 안착 공간이 형성된다. 따라서, 안착 공간도 사각면체, 원형, 육각면체형 등 다양한 형상이 가능하다. 물론, 다각형의 경우, 서로 맞물리게 요철이 각각 형성될 수 있다. 부연하면, 안착 공간 및 질량체(330)의 측면에 요철이 형성되는 것을 들 수 있다.
질량체(330)의 재질은 밀도가 큰 텅스텐과 같은 전도성 금속 재질 등이 될 수 있다.
압전 단결정(440)의 주변면에 완충층(450)이 배치된다. 또한, 완충층(450)은 상기 질량체(330)의 기저면에 위치된다. 즉, 완충층(450)의 상단면과 질량체(330)의 기저면이 면접촉된다. 완충층(450)은 질량체(330)의 기저면에 접착제를 통해 서로 결합된다. 접착제는 에폭시, 실리콘 등이 될 수 있다.
베이스(480)는 하우징(420)과 결합된다. 접착제 (예. UV epoxy)을 이용하여 결합할 수 있다.
베이스(480)에는 전선(미도시)이 삽입되는 전선 삽입홈(481)이 형성된다. 부연하면, 전선은 압전 단결정(440)에 연결되어 압전 단결정(440)에서 생성되는 전기적 신호를 다른 전자 장치에 전송하는 기능을 수행한다. 베이스(480) 및/또는 하우징(420)의 재질은 엔지니어링 플라스틱, 비금속, 합금 등이 될 수 있다.
하우징(420)의 상단에는 고정부(410)가 설치된다. 고정부(410)는 볼팅 방식에 의해 질량체(330)의 상단면이 고정된다. 즉, 고정부(410)는 볼트 형상으로 나사산이 형성된다. 물론, 이러한 고정부(410)와 볼팅되기 위해 하우징(420)의 상단면 내측에 결합부(430)가 형성된다. 결합부(430)의 내측면에도 나사산이 형성된다. 따라서, 고정부(410)의 나사산과 결합부(430)의 나사산이 치합된다.
고정부(410)는 질량체(330)를 상하로 고정시키는 역할을 한다. 이와 함께 질량체(330)의 좌우를 고정시키기 위해 캡부(460)가 설치될 수 있다. 부연하면, 질량체(330)의 외주면과 하우징(420)의 안착 공간에 형성되는 벽사이에 틈이 발생할 수 있으므로 추가적으로 질량체(330)를 감쌀 수 있는 캡부(460)가 설치된다. 캡부(460)은 탄성 재질이 될 수 있으며, 상단에 고정부(410)의 말단이 질량체(330)의 표면에 닿을 수 있도록 구멍이 생성될 수 있다. 물론, 이 구멍에도 나사산이 형성될 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 압축형 가속도 센서(400)를 I-I축으로 절개한 단면도이다. 도 5를 참조하면, 완충층(450)은 링 형태가 된다. 완충층(450)은 질량체(330)와 베이스(480) 사이에 균형을 유지시킴과 동시에 상기 질량체(330)가 받는 음압을 상기 압전 단결정(440)에 전달하도록 고무재질이 될 수 있다.
압전 단결정(440)은 납 마그네슘 니오베이트-납 티탄산염(PMN-PT, lead magnesium niobate-lead titanate), 납 지르코늄 티탄산염(PZT, lead zirconium titanate) 등이 될 수 있다.
베이스(480)의 중앙에는 전선을 삽입하기 위해 중공형상이면서도 압전 단결정(440)을 안착 지지하기 위한 안착 지지부(502)가 형성된다. 이 지지부(502)의 상단면에 압전 단결정(440)이 안착된다. 또한, 완충층(450)과 압전 단결정(440)간의 물리적인 간섭을 방지하기 위해 상기 완충층(450)과 압전 단결정(440) 사이에 일정한 간극(503)이 형성된다.
또한, 하우징(420)의 내측에는 목부(501)가 형성된다. 이 목부(501)는 질량체(330)가 외부로 유출되는 것을 방지함과 동시에, 고정부(410)가 흔들리지 않고 지지 보강하는 역할을 한다. 물론, 목부(501)에도 고정부(410)의 나사산과 볼팅되도록 나사산이 내측벽에 형성될 수 있다.
330: 질량체
400: 압축형 가속도 센서
410: 고정부
420: 하우징
440: 압전 단결정
450: 완충층
460: 캡부
480: 베이스
501: 목부
502: 안착 지지부
503: 간극
400: 압축형 가속도 센서
410: 고정부
420: 하우징
440: 압전 단결정
450: 완충층
460: 캡부
480: 베이스
501: 목부
502: 안착 지지부
503: 간극
Claims (14)
- 질량체(330);
상기 질량체(330)가 내측에 설치되게 안착 공간이 형성되고, 상기 질량체(330)와 접촉되며 부피의 크기가 서로 다른 압전 단결정(440)이 설치되는 하우징(420); 및
상기 하우징(420)과 결합되는 베이스(480);를 포함하며,
상기 압전 단결정(440)의 상단면은 질량체(330)의 기저면과 접촉되며,
감도를 향상시키기 위해 상기 압전 단결정(440)의 부피의 크기가 상기 질량체(330)의 부피의 크기보다 상대적으로 작고,
상기 압전 단결정(440)의 주변면에 완충층(450)이 배치되는 것을 특징으로 하는 압축형 가속도 센서.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 완충층(450)은 질량체(330)의 상기 기저면에 위치되는 것을 특징으로 하는 압축형 가속도 센서.
- 제 3 항에 있어서,
상기 완충층(450)은 질량체(330)의 상기 기저면에 접착제를 통해 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 압축형 가속도 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 완충층(450)은 링 형태인 것을 특징으로 하는 압축형 가속도 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 완충층(450)은 상기 질량체(330)와 베이스(480)사이에 균형을 유지시킴과 동시에 상기 질량체(330)가 받는 음압을 상기 압전 단결정(440)에 전달하도록 고무재질인 것을 특징으로 하는 압축형 가속도 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 완충층(450)과 상기 압전 단결정(440)간의 물리적인 간섭을 방지하기 위해 상기 완충층(450)과 상기 압전 단결정(440) 사이에 일정한 간극(503)이 있는 것을 특징으로 하는 압축형 가속도 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 질량체(330)의 상단면을 고정하는 고정부(410);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압축형 가속도 센서.
- 제 8 항에 있어서,
상기 고정부(410)는 볼트 형상인 것을 특징으로 하는 압축형 가속도 센서.
- 제 9 항에 있어서,
상기 고정부(410)와 볼팅 결합되며, 상기 하우징(420)의 상단면의 내측에 형성되는 결합부(430);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압축형 가속도 센서.
- 제 8 항에 있어서,
상기 안착 공간에 삽입되어 상기 질량체(330)의 외주면을 감싸는 캡부(460);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압축형 가속도 센서.
- 제 8 항에 있어서,
상기 하우징(420)의 상단면으로부터 일정 거리를 두고 내측에는 상기 고정부(410)를 고정 지지하는 목부(501)가 형성되는 것을 특징으로 하는 압축형 가속도 센서.
- 삭제
- (a) 베이스(480)를 준비하는 단계;
(b) 상기 베이스(480)에 압전 단결정(440)을 설치하는 단계;
(c) 상기 압전 단결정(440)과 접촉되게 질량체(330)를 배치하는 단계; 및
(d) 상기 질량체(330)가 내측에 설치되게 안착 공간이 형성되는 하우징(420)을 상기 베이스(480)와 결합시키는 단계;를 포함하며,
상기 압전 단결정(440)의 상단면은 질량체(330)의 기저면과 접촉되며,
감도를 향상시키기 위해 상기 압전 단결정(440)의 부피의 크기가 상기 질량체(330)의 부피의 크기보다 상대적으로 작고,
상기 압전 단결정(440)의 주변면에 완충층(450)이 배치되는 것을 특징으로 하는 압축형 가속도 센서의 조립 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190153598A KR102250987B1 (ko) | 2019-11-26 | 2019-11-26 | 압축형 가속도 센서 및 이의 조립 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190153598A KR102250987B1 (ko) | 2019-11-26 | 2019-11-26 | 압축형 가속도 센서 및 이의 조립 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102250987B1 true KR102250987B1 (ko) | 2021-05-12 |
Family
ID=75919045
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020190153598A KR102250987B1 (ko) | 2019-11-26 | 2019-11-26 | 압축형 가속도 센서 및 이의 조립 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102250987B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114113680A (zh) * | 2021-12-17 | 2022-03-01 | 上海凸申科技有限公司 | 一种压电薄膜加速度或震动传感器 |
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-
2019
- 2019-11-26 KR KR1020190153598A patent/KR102250987B1/ko active IP Right Grant
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