KR20000064405A - 힘센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 그의 공진 주파수가 검출하려는 힘작용에 의해 변할 수 있는 공진 구조물을 지닌 힘센서, 특히 가속도센서 또는 압력센서에 관한 것이다.

전압(U)을 가함으로써 그의 기계적 불안정한 지점에 대한 힘센서(10)의 작용점(P_SA)의 거리가 조절될 수 있게 된다.

Description

힘센서

상기한 종류의 힘센서는 알려져 있다. 이들은 주파수에 따라 공진하는 기계적 센서로 구성되어 있고, 거기에서는 그 진동 주파수가 검출하려는 힘작용, 예컨대 가속도 또는 압력으로 인해 변화될 수 있는, 공진(공진진동)하는 구조물이 배치되어있다. 외부 힘작용으로 인해 공진하는 구조물은 요동하기 때문에 그 진동주파수는 변한다. 여기서 공진하는 구조물은 스프링-질량-계에 의해 구성되어 있고, 힘센서의 감도의 증진은 진동질량의 증가, 스프링 강성의 감소 또는 두 조치의 조합에 의해 달성될 수 있다.

그러나 그럼으로써 구조물이 공진하는 기본 주파수가 감소하기 때문에 센서운동의 악화가 개입된다는 것이 결점이다. 다른 한편으로는 진동 질량의 증가에는 센서 치수의 증가가 연관되어 있다는 점이다.

종전의 특허출원 DE-P 44 26 163로부터, 공진하는 구조물이 기계적으로 장력이 걸려있기 때문에 힘센서가 그 기계적 불안정한 지점 부근에서 작동되는 가속도센서가 알려져 있다. 이에 의해 힘센서의 센서 감도가 상승되는데, 센서의 작용점은 기계적 불안정한 지점에 보다 가까이 위치된다. 여기서 작용점의 기계적 불안정한 지점으로부터의 거리는 가해진 기계적 장력의 크기에 의해 결정된다. 그러나 여기에 있어서, 작용점의 기계적 불안정한 지점으로부터의 거리의 정확한 조절이, 예컨대 센서 배치에 있어 기하형상의 공차에 의해, 기계적 장력으로 생기는 조절곤란한 층장력(막장력) 및 온도 의존성에 의해 이루어질 수 있다는 것이 결점이다. 센서감도를 증진시키기 위해 힘센서가 그의 기계적 불안정한 지점 부근에서 작동되어야 할 바로 그 때에는, 작용점이 최소로 이동되어도 큰 신호변화, 따라서 신호 오류가 발생하게 된다.

본 발명은 청구항 1의 전제부 기재된 특징을 가진 힘 센서에 관한 것이다.

도 1은 압력센서(막 + 장력수용부)의 개략 평면도.

도 2는 요동된 상태(a) 및 비요동된 상태(b)에 있어 압력센서의 개략 단면도.

도 3a 내지 3c는 Y 방향으로 진동된 공진체에 있어 고유주파수-힘 관계를 도시한 도면.

도 4는기계적, 정전기적 및 전기 기계적 거동의 관계를 도시한 도면.

도 5는 제어전압(U)을 상승시킬 때 전기 기계적 공진체의 작용점 이동을 도시한 도면.

청구항 1에 기재된 특징을 가진 본 발명에 의한 힘센서는 상기에 반하여 기계적 불안정한 지점으로부터의 작용점의 거리가 일정하게 또한 선택적으로 정확히 조절할 수 있다는 이점을 갖는다. 기계적 불안정성 점에 대한 작용점의 거리가 조절가능하게 함으로써, 거리를 정확히 조절할 수 있는 외에 힘센서의 제조 및 작동중 생기는, 예컨대 층장력, 온도의 존성, 제조 공차에 의한 편차를 보정하는 것이 유리하게도 가능하고, 그렇기 때문에 힘센서의 작동기간에 걸친 작용점의 대단히 정확하고 균일한 조절 및 재조절, 특히 힘센서의 기계적 불안정성 점까지의 가능한 최소의 거리의 대단히 정확한 조절이 가능하다.

그 위에 작용점의 기계적 불안정성 점으로부터의 거리의 조절성에 의해 동일한 한 힘센서에 의해 상이한 측정범위들이 조절될 수 있는 것이 유리한 점이다. 작용점의 이동 조절에 의해, 작용점이 힘센서의 형상에 의해 주어지는 그의 기계적 불안정성의 점으로부터 갖는 거리가 변화될 수 있다. 작용점의 기계적 불안정한 지점으로부터의 거리에 따라, 외부로부터 작용하는 검출하려는 힘작용에 대해 대응적으로 상이한 반응을 갖는 상이한 센서감도가 얻어진다. 그 위에 대단히 유리하게도 힘센서의 작용점은 일정한 한계내에서 결정적으로 사용되는 동안 변화될 수 있다. 이에 의해 대단히 유리하게도 예컨대 한 측정범위로부터 다른 측정범위로의 힘센서의 스위칭이 행해질 수 있고 그럼으로써 상이한 선택적 신호 파악 및 신호 처리가 가능해진다.

본 발명의 유리한 실시형에 있어 공진하는 구조물은 기계적으로 미리 장력이 주어지고 추가적인 외부 힘의 영향을 받고 이 때 추가적인 외부힘은 바람직하기는 정전력이다. 이에 의해 간단한 방법으로 공진하는 구조물에 대해 떨어져 위치하는 전극에 의해 전압을 가함으로써 진동하는 구조물은 그의 기계적 장력에 추가하여 정전적 장력이 가해지고, 그리하여 고유 주파수는 힘센서의 기하적 구조물의 변경 없이 감소될 수 있고 그에 따라 센서 감도는 향상될 수 있다.

본 발명의 추가적으로 유리한 실시형은 나머지 종속항들에 기재된 특징에 의해 얻어질 수 있다.

본 발명을 이하 관련 도면에 따라 실시예로 상세히 설명하겠다.

도 1 및 도 2에는, 예컨대 DE 43 33 099 A1으로부터 알려져 있는 것과 같은 전체적으로 10으로 표시된 압력 센서가 대략적으로 표시되어 있다. 압력 센서(10)는 각각 두 지지체(14) 사이에 끼인 굽힘 비임(16)을 갖고있는 도합 네 개의 구조물(12)을 갖고 있다. 여기서 구조물(12)은 막(18)(요동된 것으로 표시됨) 및 (20)(비요동된 것으로 표시됨) 위에 배치되어 있고, 이 막들은 검출하려고 하는 외부의 압력작용 하에 처져 있다. 이 외부의 힘작용은 압력에 의해서뿐만 아니라 가속도 또는 기타의 측정하고자 하는 물리적 양에 의해서도 성립될 수 있다.

굽힘 비임(16)은 여기에는 상세히 표시되지 않은 장치에 의해 공진진동에 놓여진다. 따라서 굽힘 비임(16)은 시작상태에서 일정 고유 진동수(f₀)로 진동한다. 외부 힘작용에 의해 막은 외부 힘작용에 비례하는 일정한 처짐을 받는데, 구조물(12)의 굽힘 비임(16)은 이것의 막 위에서의 배치에 따라 압축 또는 견인(팽창) 변형을 받는다. 도 2에 표시된 외부 굽힘 비임(16)은 압축으로, 한편 내부 굽힘 비임(16)은 팽창으로 응력변형된다. 이 응력에 의해 굽힘 비임(16)은 그의 진동 주파수가 변하고 이 진동수는 여기에는 상세히 표시되지 않은 적당한 수용부재를 통하여 공지의 방법으로 검출될 수 있다. 진동 주파수의 변화에 의해 작용하는 힘/압력은 그 크기가 추론될 수 있기 때문에, 압력센서(10)에 의해 전체적으로 외부 힘/압력작용에 비례하는 신호가 형성될 수 있다.

도 3a 내지 3c에는 각각 힘센서(10)의 구조(12)가 대략적으로 표시되어있다. 같은 부재는 도 1에서와 같은 번호로 표시되어있고 다시 설명되지 않을 것이다.

도 3a는 주파수(f₀)로 진동하는 굽힘 비임(16)을 표시한다. 도 3b는 종전의 특허출원 DE 44 26 163에 기재되어있는 것과 같은 기계적 힘이 가해진 굽힘 비임(16)을 표시하는데 여기에서 굽힘 비임(16)은 주파수(f₁)로 진동한다. 여기서 주파수(f₁)는 주파수(f₀) 보다 작고, 따라서 구조물(12)은 나중에 설명될 그의 작용점에 의해 기계적 불안정한 지점 부근에서 작동한다.

도 3c의 표시에 의하면 굽힘 비임(16)의 하부에는 전극(22)이 배치되어있고 이 전극에는 일정한 전압 전위(U)가 걸려있다. 그 전압 전위(U)로 인해 알려져 있는 정전기적 힘(F)이 생기고 이 힘이 굽힘 비임(16)에 정전기적 장력을 일으킨다. 비임은 이제 역시 고유 주파수(f₀) 보다 작은 진동 주파수(f₂)로 진동한다. 굽힘 비임(16)을 진동하도록 여기 시키는 것은 여기서는 상세히 표시되지 않은 수단, 예컨대 정전기 빗살(캠)구동장치에 의해 행해진다. 이 수단에 의해 굽힘 비임은 주파수(f)를 가진 공진 진동에 이행된다. 도 3a 내지 3c에서의 변화에 따라 공진 주파수(f)는 고유주파수(f₀) 또는 기계적 또는 정전기적 장력에 의해 조절되는 주파수 (f₁) 또는 (f₂)을 취한다.

도 4에 따라 기계적 스프링 강성 및 정전기적 장력의 강성 스프링 상수를 나타내는 여러 특성곡선이 표시되어 있다. 특성곡선의 윗줄에는 기계적 스프링의 전위 경과가 도시되어 있다. 중간 열에는 정전적 전위의 경과가 또한 아래 열에는 기계적 스프링과 정전적 전위의 중복(겹침)에 대한 전위 곡선이 표시되어있다. 좌단은 전위 에너지[V(x)]의 경과를 나타내고, 중간단은 전체 전위의 일차도함수, 따라서 실효 힘(F)[그레디언트 V(x)]을 나타내고, 우단은 전위(V(x))의 이차 도함수, 즉 구조물(12)의 굽힘 비임(16)의 유효 스프링 상수를 나타낸다.

추가 설명을 위해, 특성곡선의, 즉 기계적 및 정전적 장력을 중복시킨(합한) 경우에 대한 곡선의 가장 아래 줄을 참조할 수 있다. 맨 아래 줄의 좌측 특성곡선에는 굽힘 비임(16)의 선형적 힘-거리-의존성의 스프링 전위[V(x)]및 중복된 1/(x-x₀)형의 전기적 힘의 전위로 구성된 전체 전위[V(x)]가 표시되어있다. 여기서 x₀는 굽힘 비임(16)의 정지상태에 있어 전극(22)의 굽힘 비임(16)으로부터의 거리를 표시한다.

전체 전위 곡선(V(x)에서는 구조물(12)의 센서 작용점(P_SA)이 전체 전위 곡선의 최소점으로 표시되어 있다(조화진동의 작용점은 항상 전위 최소점이다).

실효 전체 힘(F)과 유효 스프링 상수에 대한 특성곡선에서는 값(x_u)이 게재되어있는데, 이 값은, 거기에서는 일차 도함수, 따라서 실효 전체 힘(F)이 최대를 갖고 이차 도함수, 따라서 유효 스프링 상수는 영점을 갖는, 전체 전위 함수의 역전점을 표시한다. 따라서, 굽힘 비임(16)의 작용점 주위 진동의 진폭(x_max)을 위해서는 x_max가 값(x_u) 보다 훨씬 작아야한다는 것이 성립해야한다. 여기서 전위 함수의 역전점은 실질적으로 구조물(12)의 기하적 형상, 특히 굽힘 비임 및 정전적 인력의 기초가 되는 전극(22)의 형상에 의해 그리고 제어전압(U)에 의해 결정된다. 우측의 도시에 따라 전체 전위 함수의 이차 도함수로부터 생기는 유효 스프링 상수는 x값 증가와 더불어 x=x_u에서 값 영에 달하기까지 점차 작아진다. 전체 전위 함수의 일차 도함수로부터 얻어지는 실효 전체 힘은 이 점에서 최대가 되고 x값이 더 커짐에 따라 감소한다.

값(x_u)을 초과한 후 정전 인력에 기초하는 힘은 굽힘 비임(16)의 복원력 보다 크다. 그래서 굽힘 비임(16)에서의 힘들의 합은 x_u에서 영이 되고, 즉 비임은 그의 기계적 불안정한 지점에 도달했다는 것이다.

센서 작용점(P_SA)을 기계적 불안정성 점의 방향으로 이동시키면, 즉 거리를 변화, 여기서는 거리를 줄이면, 센서 감도가 높아지는데, 그 이유는 굽힘 비임(16)의 진동주파수가 변하면 - 검출하려는 외부 힘의 작용점에 의해 - 신호변화가 비교적 커지기 때문이다.

도 5에 표시된 특성곡선에 따라 센서 작용점(P_SA)을 기계적 불안정성 점의 방향으로 이동시킬 수 있는 가능성이 명시되어 있다. 전극(22)에 가해진 전압(U)에 의한 표시된 전체 전위 경과[V(x)]의 곡선에 따르면, 전압이 상승할 때 전위 경과[V(x)]의 최소점에 있는 센서 작용점(P_SA)이 x값이 커지는 쪽으로 이동하는 것이 명시되어 있다. 상기와 같이 x값이 커짐에 따라 기계적 장력 및 정전적 장력으로 구성된 유효 스프링 상수, 따라서 구조물(12)의 공진 주파수(f)는 증가적으로 작아져서, 센서의 검출감도는 따라서 커진다.

도 5에는 전압(U₁)에 대한 제 1 특성곡선 및 전압(U₁)의 3배 값에 해당하는 전압(U₂)에 대한 제 2 특성곡선이 표시되어 있다. 전압(U)이 증가함에 따라 센서 작용점(P_SA)이 이동되는 것이 분명해진다. 전압(U) 상승과 더불어 정전적 힘(정전력), 따라서 굽힘 비임(16)의 정전적 장력이 상승하기 때문에, 전압(U)의 조절을 통하여 센서 작용점(P_SA)의 조절, 또는 특히 구조물(12)의 기계적 불안정성 점에 대한 센서 작용점의 거리의 조절이 가능해진다.

U²=8×K×x₀ ³/(27ε₀A)

로부터 얻어지는 일정한 전압에 도달하면, 전체 전위 경과의 최소는 더 이상 존재하지 않고 따라서 계는 순간적으로 불안정해진다. 여기서 K는 구조물(12)의 기계적 스프링-질량계의 스프링 상수를 나타내고 A는 전극(22)과 굽힘 비임(16)으로 구성된 콘덴서의 실효 면적을 표시한다.

Claims (6)

1. 진동 주파수가 검출하려는 힘 작용으로 인해 변할 수 있는 공진하는 구조물을 가진 힘-/압력 센서에 있어서, 정전적 전압(U)을 가함으로써 힘센서의 기계적 불안정한 지점에 대한(점 까지의) 힘센서(10)의 작용점(P_SA)의 거리가 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 힘/압력센서.
2. 제 1 항에 있어서, 공진하는 구조물(12)은 장력이 걸려있고 추가의 외부적 힘이 가해져 있는 것을 특징으로 하는 힘/압력센서.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 기계적 장력이 정전적 힘(F)으로 성립되어있는 것을 특징으로 하는 힘/압력센서.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 정전적 힘(F)이 구조물(12)의 진동체와 그 진동체로부터 격리 배치된 전극(22) 사이의 전위차(전위차)를 통해 발생되는 것을 특징으로 하는 힘/압력센서.
5. 제 4 항에 있어서, 구조물(12)의 진동체가 두 지지체(14) 사이에 끼어있는 굽힘 비임(16)인 것을 특징으로 하는 힘/압력센서.
6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 기계적 불안정성 점에 대한 작용점(P_SA)의 거리가 전극(22)에 가해지는 전압(U)의 크기에 의해 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 힘/압력센서.