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KR100336151B1 - 서보 가속도계 - Google Patents

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KR100336151B1
KR100336151B1 KR1019960707610A KR19960707610A KR100336151B1 KR 100336151 B1 KR100336151 B1 KR 100336151B1 KR 1019960707610 A KR1019960707610 A KR 1019960707610A KR 19960707610 A KR19960707610 A KR 19960707610A KR 100336151 B1 KR100336151 B1 KR 100336151B1
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KR
South Korea
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accelerometer
magnetic circuit
mass
coil
core
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KR1019960707610A
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세르게이 페오도시에비키 코노발로브
게나디 미카알로비치 노보시오로브
정 오 이
준 호 오
알렉세이 비크토로비키 폴리노코브
관 섭 이
Original Assignee
세르게이 페오도시에비키 코노발로브
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Abstract

분리가능한 케이스; 케이스에 놓인 구성판을 유지하는 서스펜션 장치;
케이스에서 구성판으로 전류를 공급하는 장치;
기체 제동기 ; 그리고 미분 픽-오프, 전치 증폭기, 연결 유니트, 동력 증폭기와 같은 출력부, 구성판을 가지는 일정 자기 플럭스원과 가동 코일을 포함한 미분 토오크, 서스펜션 장치 그리고 토오크 코일이 연결 와셔를 통하여 구성판에 부착되어 있는 동안 단일 결정체 실리콘인 구성판의 웨이퍼로 만들어진 장착 프레임을 포함한 가속도계에 있어서, 분리가능한 케이스 각각의 반쪽은 구성판 웨이퍼와 같은 배향을 가지는 단일 결정체의 실리콘으로 만들어진 실린더형 홀을 가진 바아(bar)로서 실행되고, 중심코어를 가지는 컵 형태의 자기 연질 전기회로는 바아의 실린더형 홀로 놓여서 상기 중심 코어가 열보상 장치인 자기회로와 바아 사이의 기계적 연결자와 자기연질 물질에서 극편과 축 방향으로 극성을 가지는 영구자석으로 이루어지는 동안 틈이 생기고, 픽-오프가 두 개의 다르게 연결된 환상 코일로 구성되는 반면에 각각의 연결 와셔는 구성판의 웨이퍼와 같은 배향을 가지는 단일 결정체의 실리콘으로 만들어지고, 각각의 코일은 외부 보호커버내에 장착된 분리가능한 케이스에서 전치 증폭기와 교정 유니트 사이에 연결된 고주파 진동기와 자기 회로의 중심코어에 장착되는 것을 특징으로 하는 감지축을 따라 가속을 측정하는 보상형 가속도계.

Description

서보 가속도계
종래의 가속도계는 미국특허 제 4,779,463 호에서 발표되었다. 서보 가속도계는 미분 픽오프, 서보 증폭기와 가동 코일을 가진 미분 토오크를 포함하면서, 케이스에서 보상 루우프를 형성하도록 연속하여 연결된 구성판까지 전류를 공급하는 트랙상에 놓여진, 구성판을 유지하는 서스펜션 장치와 분리 가능한 케이스로 이루어진다.
이 장치에서 구성판, 네 개의 서스펜션 플렉셔 및 마운팅 프레임은 실리콘 단일 결정체의 웨이퍼로 만들어진다.
상기 가속도계의 단점은
1) 이 장치의 케이스내에 구성판을 장착하기가 어렵다.
2) 상당한 픽-오프 제로 신호의 불안정성이 존재하여 가속도계 조작 에러를 유발한다.
3) 토오크 코일이 감겨진 도체가 구성판의 실리콘 기저부에 직접 부착된다.
제 2 유형의 종래의 가속도계는 미국특허 제 4,498,442 에서 나타나 있다.서보 가속도계는 분리 가능한 케이스, 거기에 놓인 구성판을 유지하는 서스펜션 장치와 기체 제동기로 구성된다. 미분 픽-오프, 전치 증폭기, 보정 유닛, 동력 증폭기 및 가동성 코일을 가지는 미분 토오크는 연속하여 연결되고 상기 가속도계의 보정 루우프를 형성한다. 여기에서 구성판, 서스펜션 장치 및 마운팅 프레임은 실리콘 단일 결정체의 웨이퍼로 만들어진다.
이 가속도계에서 토오크의 각각의 고정자는 영구 자석을 포함하고, 구성판 각각의 표면은 그 위에 장착된 힘 평형 코일(토오크 코일)을 가진다. 각각의 코일을 통하여 흐르는 전류는 구성판에 힘을 유도하기 위해서, 연결된 고정자의 영구 자석과 상호 작용하는 자기장을 형성한다. 코일에 공급된 전류를 제어함으로써, 상기 힘의 세기 및 방향을 조절할 수 있다.
이 장치의 미분 픽-오프는 휘이트스토운 브리지로서 작용하는데 그것의 아암은 인장영역을 포함한다. 상기 인장 영역은 서스펜션 장치의 실리콘 플렉셔에서 형성된다.
고정자들에 대하여 구성판의 운동은 구성판의 위치를 정하도록 감지할 수 있는 픽-오프 변화의 미분 저항을 이끈다.
조작시에, 가속도계는 물체에 부착되고 상기 물체의 가속이 측정된다. 감지축을 따라 물체의 가속은 고정자에 대하여 힌지 축 주위로 구성판이 회전하도록 한다. 이 구성판의 운동에 의해 유발된 미분저항 변화는, 힘 평형 코일에 적용될 때 중립 위치로 구성판을 복귀하려는 힘을 유도하는 전류가 생산되는 피이드백 회로에 의해 감지된다. 중립위치에서 구성판을 유지하는데 필요한 전류의 세기는 감지축을따라 가속 측정을 한다.
상기 보상형 가속도계는 본 발명과 유사해서 원형으로 받아들여진다. 이 유형의 단점은;
1) 인장 브리지로서 픽-오프 장치는 가속도계 픽-오프의 제로 신호의 꽤 높은 온도 드리프트를 이끈다. 구성판이 플렉셔를 사용하면서 서스펜션 장치를 가지므로 상기 제로 신호의 드리프트는 보상형 가속도계 조작시에 상당한 에러가 발생한다. 이 에러는 서스펜션 장치의 플레셔 스티프니스에 의해 결정된다.
2) 구성판 실리콘 웨이퍼는, 케이스가 실리콘과는 다른 열팽창 계수를 가지는 재료로 만들어지므로 구성판 실리콘 웨이퍼는 가속도계 케이스의 열변형의 영향을 전혀 받지 않는 것은 아니다.
3) 부시의 열팽창 계수가 구성판의 열팽창 계수와 같지 않기 때문에 토오크 코일을 부착하기 위한 저감 부시의 열변형은 구성판의 변형을 이끈다.
본 발명은 리밸런스 가속도계를 작동하는 것에 관련되는데 상기 리밸런스 가속도계에서 가속-감지 가동성 요소는 중립 위치에서 유지된다.
도 1 은 제 1 실시예를 나타내는 측정축 SA와 진자 아암 축 PA를 따라 취해진 가속도계의 횡단면도.
도 2 는 제 1 실시에를 나타내는 도 1 의 A-A선을 따라 취해진 가속도계의 횡단면도.
도 3 은 가속도계의 전기 블록선도.
도 4 는 구성판의 서스펜션 장치가 동일면에 놓인 네 개의 플렉셔를 포함하는 가속도계의 제 2 실시예를 나타낸 도면.
도 5 는 서스펜션 장치가 짝을 이룬 두 개의 평행면에 놓인 네 개의 플렉셔를 포함하는 가속도계의 제 3 실시예를 나타낸 도면.
도 6 은 짝을 이루어 두 개의 평행면에 놓였지만 모든 플렉서가 장착 프레임과 구성판에 동일하게 부착된 네 개의 플렉셔를 서스펜션 장치가 포함하는 가속도계의 제 4 실시예를 나타낸 도면.
도 7 은 영구자석이 축을 따라 극성을 가지는 실린더형 부시로 만들어지는 가속도계의 제 5 실시예를 나타낸 도면.
도 8 은 전자석이 일정한 자기 플럭스원인 가속도계의 제 6 실시예를 나타낸 도면.
도 9 는 가속도계의 제 6 실시예의 전기 블록선도.
도 10 은 픽-오프 출력부 조절장치가 있는 가속도계의 제 7 실시예를 나타낸 도면.
도 11 은 서스펜션 장치에 결함이 생기는 것을 막는 장치를 가진 가속도계의 제 7 실시예를 나타낸 도면.
도 12 는 픽-오프 출력부 조절장치와 서스펜션 보호장치를 갖춘 가속도계의 제 8 실시예를 나타낸 도면.
도 13 은 코일의 단-회로부를 통하여 픽-오프 출력을 조절하는 장치를 갖춘 가속도계의 제 9 실시예를 나타낸 도면.
도 14 는 열보정이 실린더 부시로 이루어지는 가속계의 제 10 실시예를 나타낸 도면.
도 15 는 제로 신호 보정법을 나타낸 가속도계의 블록선도.
도 16 은 제 10 실시예와 비슷한 가속도계의 제 11 실시예를 나타낸 도면.
도 17 은 열보정 실린더형 부시의 제 1 실시예를 나타내 도면.
도 18 은 열보정 실린더형 부시의 제 2 실시예를 나타낸 도면.
도 19 는 펄스 변조기가 사용된 가속도계의 제 12 실시예를 나타낸 도면.
도 20 은 펄스 스위치 변조기를 가진 가속도계 출력부가 형성되는 방법을 나타낸 도면.
도 21 은 펄스-폭 변조기가 사용될 때 피이드백 전류의 타이밍을 나타낸 도면.
도 22 는 펄스-계전 변조기가 사용될때 피이브백 전류의 타이밍을 나타낸 도면.
도 23 은 추가적 가속도계를 포함하는 보정형 가속도계의 제 13 실시예를 나타낸 블록선도.
도 24 는 토오크 코일이 구성판의 장착 패드에 부착된 가속도계의 제 14 실시예를 나타낸 도면.
* 부호설명
3,42 ... 구성판(proof mass paddle) 5 ... 와셔(washer)
7,8 ... 토오크 가동 코일(torquer movable coil)
13,15 ... 바(bar) 14,16 ... 자석회로(magnetic circuit)
25 ... 스프링(spring memver) 26 ... 플랜지
27 ... 고정부시(clamping bush) 28 ... 접착 조인트(glued joint)
29 ... 보호용 커버(protection cover)
41 ... 장착 프레임(mounting frame) 43,44,45,46 ... 플렉셔(flexure)
53,54 ... 금속화 트랙(metallization track)
79 ... 프리앰프(pre amplifier) 81 ... 보정유니트
82 ... 파워 앰프 83 ... 고감도 오실레이터
86 ... 픽업 코일 87 ... 필터
88 ... 토리이달 코일 89 ... 전류 안정기
96 ... 중심 코아 98 ... 중심 구멍
99 ... 코아 110 ... 장방형 개구
111 ... 3단 코아 115,116 ... 주 코일
129,125 ... 실리콘 바 126 ... 제 1 열 보상기
128 ... 전달함수 130 ... 전달비
132 ... 스티프니스
본 발명은 보상형 가속도계에 관련되는데 그것은 분리 가능한 케이스, 케이스에 놓인 구성판을 유지하는 서스펜션 장치, 픽-오프, 서보 증폭기와 토오크로 구성된다. 이 가속도계에서 구성판, 서스펜션 장치와 케이스에 구성판을 장착하기 위한 프레임(장착 프레임)은 실리콘 단일 결정체의 웨이퍼로 만들어진다.
또, 분리가능한 케이스의 각각은 반쪽은 바아(bar)와 컵 형태의 자기 회로로서 작용하고 각 반쪽 사이에는 구성판의 장착 프레임이 놓인다. 여기에서 바아는 구성판 웨이퍼와 같은 배향을 가지는 실리콘 단일 결정체로 만들어진다. 토오크 코일은 구성판 웨이퍼와 같은 배향을 가지는 실리콘 단일 결정체로 만들어진 연결 와셔를 통하여 구성판에 부착된다.
본 발명에 다른, 이 가속도계에서, 픽-오프는 두 개의 다르게 연결된 환상 코일로 이루어지는데, 각 코일은 그것의 토오크 자기 회로 중심 코어에 부착된다. 상기 픽-오프는 서보 증폭기 동력 증폭기 입력부에 연결된 고주파 진동기를 포함하고 서보 증폭기는 검파 제어 입력부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 가속도계의 분리가능한 케이스 각각의 반쪽에서 토오크 자기 회로는 연결자 즉, 열 보정장치를 통하여 실리콘 바아와 결합된다. 가속도계를 조절할 때 그것의 특징이 향상되도록 열 보정장치의 재료가 선택된다.
보정형 가속도계(도 1 과 2)는 분리 가능한 케이스와 케이스에 놓인 구성판(2)을 유지하는 서스펜션 장치(1)를 포함한다. 구성판(3), 서스펜션 장치(1)와 장착 프레임(4)은 실리콘 단일 결정체인 구성판의 웨이퍼로 만들어진다. 미분 토오크 가동 코일(7 과 8)은 연결 와셔(5 와 6)를 통하여 구성판(3)에 연결되고 상기 와셔는 구성판의 웨이퍼와 같은 배향을 가지면서 실리콘 단일 결정체로 만들어진다.
토오크 코일(7 과 8)은 박판의 금, 알루미늄 또는 구리띠로서 제공된 트랙(9)을 통하여 피이드백 전류를 공급한다.
도 2 에서 트랙(9)은 구성판 웨이퍼의 중립면에 놓인다. 이것을 위해, 장착 프레임(4)에 노치(10)가 형성된다. 이 노치의 깊이는 장착 프레임 두께의 1/2에 해당한다. 구성판(3)에서 구성판(3) 두께의 1/2에 해당하는 깊이를 가지는 노치(11)가 또한 있다. 각 노치(10 과 11)의 바닥부는 트랙(9)의 단부가 장착 프레임(4)과 구성판(3)에 부착된 지점(12)에서 금속화 된다. 또 토오크 코일(7,8)과 서보 증폭기 전기 회로를 가진 지점(12)의 전기 연결부는 종래 기술에 따른 방법에 의해서도 제공된다.
케이스에서 구성판으로 전류를 공급하는 트랙은 다른 방법으로 실행될 수도 있다.
탈착가능한 케이스의 좌측구성부는 원통형 개구부 및 컵모양의 자석회로(14)가 구성된 바(13)로 보강되어, 간격이 존재한다. 탈착가능한 케이스의 우측 구성부는 유사한 방법으로 바(15) 및 자석회로(16)으로 보강된다. 컵 모양의 자석회로(14)는 중심 코아가 구성되고, 상기 코아는 영구자석(17) 및 자극 슈(shoe)(18)로 구성되는 반면에, 자석회로(16)은 중심코아가 구성되고, 상기 코아는 영구자석(19) 및 자극 슈(20)로 구성된다.
바(13,15)는 실리콘 단결점으로 제조되고, 사이 바는 내 질량 웨이퍼(proof mass wafer)로서 동일한 방향상을 가진다.
컵모양의 자석회로(14,16) 및 자극 슈(18,20)는 예를들어 페라이트 또는 페르몰토이(permolloy)와 같은 자기적으로 연성 재료로 제조된다.
자석회로(14,16)는 기계적 결합장치 즉 각각의 열 보상기(21,22)로 실리콘재질의 바(13,15)에 연결된다.
열 보상기는 부시로서 탄성재료 또는 실리콘의 열팽창 계수보다 크고 자석회로 재질의 열팽창 계수보다 작은 열팽창 계수를 가지는 재료로 제조된다.
컵 모양의 자석회로(14,16)의 중심코아 상에는 직렬로 연결된 토로코이달 코일(23,24)이 장착된다.
가속도계 (accelerometer)를 구성하고, 탈착가능한 케이스의 좌우측 구성부들은 예를들어 스프링(25)에 의해서 서로 결합된다.
예를들어 고정부시(27) 및 접착조인트(28)에 의해 액셀로미터를 구성하는 장 착 플랜지(26)에 고정된다.
액셀로미터 조립품은 외부의 보호용 커버(29)에 의해 덮혀지고, 장착 플랜지(26)를 통해 대상물(30)에 장착된다.
액셀로미터내에는 세 개의 축이 있다:
SA는 입력(측정)축, PA는 펜둘러암(pendulum arm)의 축(pendulous axis), HA는 힌지(hinge)축을 나타낸다.
도 1 및 도 2 의 특징을 설명하면;
(1) 좀더 이해가 쉽도록, 도면들은 배율과 무관하게 그려진다. 그러나 내질량 특성의 실리콘 웨이퍼는 결합용 웨이퍼 및 근처의 자극 슈 사이의 간격으로 약 400㎛의 두께로 구성되고, 상기 웨이퍼는 50㎛의 치수를 가지며 컵모양의 자석회로의 길이는 대략 7㎜가 된다.
(2) 선 A-A를 따르는 가속도계 의 단면에서 내질량 구성판(3)상에 와셔(5)및 코일(7)사이의 결합상태를 나타낸다.
도 3 은 프리앰프(31)와; 컴파기(32)과; 보정유니트(33)와 파워앰프(34)와; 고감도 오실레이터(35); 미분 토크특성의 영구자석(36)와; 토크가동 코일(37)과; 픽업 토로이달 코일(38) 및; 필터(39)를 나타낸다.
가속도계 는 종래기술을 따르는 보상기로서 작동한다. 장치를 구성하는 측정축(SA)을 따라 가속도(a)가 주어질 때 내질량이 관성모멘트(m.ℓ.a)의 작용에서 벗어난다. (여기서 m은 내질량의 질량, ℓ은 내질량의 질량중심과 힌지축(HA)사이의 거리이다). 픽업기능에 의해 내질량의 이탈각도가 전기신호를 변환된다. 프리앰프, 검파기, 보정유니트, 파워유니트 및 토크발생기는 픽업 출력부에 직렬로 연결되며, 관성 모멘트에 대한 평형유지를 위한 모멘트를 발생시킨다. 토크발생기 코일을 통해 흐르는 전류(Iop)는 가속도계 의 출력전류이다.
본 발명의 가속도계 의 필수적인 특성은 픽업기능 구성부 및 작동조건에 있다. 고감도 오실레이터 출력부가 파워앰프의 입력부에 연결되는 순간, 고주파 교번전류가 피드백 전류를 따라 가동코일로 흐른다. 상기 전류에 의해 교번 자기 플럭스(magetic flux)가 발생되고, 상기 플럭스는 자기 회로를 구성하는 중심코아에 구성되는 픽업 토로이탈 코일로 흐른다. 픽업토로이달 코일내로 흐르는 상기 자기플럭스들은 가속도계 케이스에 대한 내질량의 상대위치가 변화할 때 크기가 변화할 때 크기가 변화하는데, 내질량의 변위는 가동코일 및 자기회로 사이의 자기 플럭스 결합상태가 변하기 때문이다.
픽업 코일내에서 교번전압이 유도된다. 상기 전압의 크기는 가동코일 및 픽업코일의 상호위치 즉 케이스에 대한 가속도계 의 내질량상에 의존한다.
미분결합이 이루어진 픽업 코일에 의해 교번출력신호에서 고주파가 발생가능하다. 상기 고주파의 크기는 내질량의 이탈각도에 비례하는 반면에, 위상은 내질량의 이탈량에 의존한다.
따라서, 본 발명을 따르는 액셀러토미터에 있어서, 가동코일(7,8)은 픽-오프 권선들로서 작동하고, 양자에서 픽업 및 공동의 자기회로가 사용된다. 상기 구성에 의해 장치구성상의 기계부품이 단순화된다.
픽-오프(pick-off)신호를 토크 발생기로 전달하기 위해, 코일이 피드백 전류를 따라 고주파 교번전류를 발생시키는 순간에, 가속도계 의 출력(Uop)의 고주파의 잔파를 제거하기 위해 필터(39)가 구성된다.
탈착가능한 케이스의 바(13,15)가 실리콘 단결정으로 제조되고, 상기 실리콘 단결정은 이들 바의 접합부에서 내질량의 웨이퍼로서 동일한 방향성을 가지므로, 온도변화가 응력발생이 없는데 결합되는 부품상의 열팽창 계수가 다르기 때문이다.
유사하게, 토크 코일을 내질량에 부착하기 위한 결합 웨이퍼(5,6)가 실리콘 단결정으로 제조되고, 구성부로서 동일한 방향성을 가진다. 그러므로 가속도계 상의 온도변화에 의해 결합웨이퍼가 내질량 구성부에 부착되는 영역에는 응력발생이 일어나지 않고, 내질량 구성분의 변형시 코일재료 및 실리콘의 열팽창 계수사이의 차이의 영향이 감소된다.
도 4 는 가속도계 의 제 2 실시예를 나타낸다. 여기서, 내질량 웨이퍼의 상측부가 나타난다: 장착 프레임(41)과, 내질량 구성부(42)와; 서스펜션 장치의 플렉셔(43,44,45,46). 네 개의 플렉셔들이 동일평면내에 놓여지고 내질량웨이퍼가 구성되는 외표면에 대해 중립위치에 놓인다. 플렉셔들은 내질량의 힌지축(HA)에 대하여 대칭이고, 내질량의 펜듈럼암 축(PA)에 대해 대칭이다. 플렉셔(43,44)의 단부들은 축(PA)로 부터 한쪽측면에 그리고 내질량으로부터 축(HA)의 뒤에 구성되며, 다르게 부착된다. 플렉셔(43)의 단부는 장착프레임내에 부착되는 반면에 플렉셔(44)의 단부는 내질량 구성부내에 장착된다. 플렉셔(45,46)가 축(PA)에 대하여 플렉셔(43,44)에 대칭이 되게 구성된다.
서스펜션 장치의 플렉셔들은 축(PA,HA)를 따라 가속이 가능할 때 안정성 로스(loss)가 이루어진다.
도 5 는 액셀로미터의 제 3 실시예를 나타낸다. 도 5에는 내질량 웨이퍼의 상측부분을 나타낸다; 장착 프레임(47)과; 내질량 구성분(48); 서스펜션 장치의 플렉셔(49,50,51,52)와; 전류전달을 위한 금속화트랙(53,54).
제 3 실시예에 따르면, 서스펜션장치의 플렉셔들은 두 개의 평행평면내에 구성되고, 내질량 웨이퍼가 구성된 중립면에 대해 대칭이다. 그러므로(선 A-A 및 선 B-B를 따르는 단면으로 나타나는) 제 1 실시예에 따르면, 서스펜션 장치를 구성하는 플렉셔(49,52)가 내질량 웨이어퍼가 구성되는 상측 외평면과 일치하는 평면에 구성된다. 서스펜션 장치의 플렉션(50,51)들이 내질량 웨이퍼를 구성하는 하측 외평면과 일치하는 평면에 구성된다.
상기 방법으로, 서스펜션 장치를 구성하는 것이 특히, 장착 프레임, 플렉셔 및 내질량 구성부가 구성되는 표면상에 형성되는 금속트랙(53,54)를 통해 토크발생기 코일에 전류가 공급될 때 편리하다.
도 5 는 단면도 A-A* 및 B-B*에 의해 분명되는 서스펜션 장치의 플렉셔에 대한 다른 형태가 제공한다. 상기 형태에 의하면, 플렉셔(49,52)가 내질량 웨이퍼가 구성되는 상측의 평면에 대해 깊이를 가지고 구성되는 외측 하부평면에 대해 깊이를 가지고 구성되는 다른 평면에 구성된다.
도 6 은 가속도계 의 제 4 실시예를 나타낸다. 도 6에는 장착프레임(55)와 내질량 구성부(56)와 서스펜션 장치의 플렉셔(57,58,59,60)와 전류를 공급하기 위한 금속트랙(61,62)가 구성된다.
상기 실시예에 의하면 서스펜션 장치에 대한 플렉셔들이 내질량 웨이퍼가 구성되는 중립면에 대해 대칭을 이루는 두 개의 평행평면내에 구성된다. 제 4 실시예의 제 1 형태(도 6의 단면 A-A 및 B-B)에 따르면, 서스펜션 장치의 플렉셔(57,60)이 내질량 웨이퍼의 상측 외평면내에 구성된다. 플렉셔(58,59)들은 내질량웨이퍼의 하측 외평면내에 구성된다. 내질량으로 부터 축(HA)의 뒤에 위치하고, 서스펜션 장치를 구성하는 모든 플렉셔들의 단부들이 장착프레임내에 부착된다.
상기 제 1 형태를 따르는 서스펜션 장치를 구성하는 것이 특히 장측 프레임, 플렉셔, 내질량 구성부로 구성되는 표면상에 구성되는 금속트랙(61,62)를 통해 전류가 토크발생기 코일에 공급될 때 편리하다.
가속도계 의 제 4 실시예의 제 2 형태가 도 6 의 단면도 A-A* 및 B-B*에 의해 나타난다. 플렉서(57,60)가 내질량 구성부의 상측 외평면에 대해 깊이를 가지고 구성되는 평면내에 형성된다. 플렉셔들(58,59)가 내질량 구성부의 하측 외평면에대해 깊이를 가지고 구성되는 평면내에 형성된다.
도 7 은 가속도계 의 제 5 실시예를 나타낸다. 도 5 에는 내질량 구성부(63)와; 서스펜션 장치(64)와; 결합와셔(65)와; 토크발생기 코일(66)와; 컵모양 자기회로(67)와; 컵모양 자기회로의 원통형 벽(68)(축 극성화 원통형 부시로서 영구자석)와; 자석회로의 중심코아(69)와 픽오프 토로이달 코일(70)로 구성된다.
도 7 은 토크발생기 코일이 놓이는 구성 간격을 갖춘 컵모양의 유일한 자석회로가 나타낸다. 가속도계 의 제 5 실시예에 따르면, 완전한 구성이 내질량 웨이퍼(도 1 및 도 2)의 중립면에 대해 대칭을 이룬다.
도 8 및 도 9는 가속도계의 제 6 실시예를 나타낸다. 도 8은; 내질량 구성부(71)와; 서스펜션 장치(72)와; 결합와셔(73)와; 토크발생기 코일(74)와; 컵모양 자기회로(75)와 중심코아(76)와 픽오프 토로이달 코일(77)와; 전자기 토로이달 코일(78)를 나타낸다.
도 9는; 프리앰프(79)와; 컴파기(80)와 보정유니트(81)와; 파워앰프(82)와; 고감도 오실레이터(83)와 미분 토크 발생기의 자기회로(84)와; 토크 발생기 가동코일(85)와; 픽오프 토로이달 코일(86)와; 필터(87)와 전자기의 토로이달 코일(88)과 전류안정기(89)를 나타낸다.
가속도계의 제 6 실시예의 특징은 장치를 구성하는 자기회로내에 일저안 자기 플럭스를 발생시키는데 있다. 전자석이 사용된다. 토로이달 코일 (도 8의 위치(78)와 도 9의 위치(88)이 구성되고, 각각의 자기 회로의 중심코아에 부착된다. 전자석의 토로이달 코일 양자가 전류안정기(도 9의 위치(89))에 직렬로 연결된다.
도 8 및 도 7에 있어서, 오직 하나의 토크발생기 코일이 구성된 컵모양의 자기회로가 도시된다. 상기 설명에서와 같이 가속도계의 제 6 실시예에 따르면, 완전한 구성은 내질량의 중립면에 대하여 대칭을 이룬다.
도 10 은 가속도계의 제 7 실시예를 나타낸다. 도 10 은 내질량 구성부(91)과; 서스펜션 장치(92)와; 결합와셔(93)와; 토크발생기 코일(94)와; 컵모양의 자기회로(95)와; 자기회로의 중심코아(96)와; 픽오프 코일(97)과; 자기회로를 구성하는 중심코아내의 구멍(98)과; 자기적으로 연성재질의 코아(99)를 나타낸다.
가속도계의 제 7 실시예의 특징을 보면, 컵모양의 자기회로(95)를 구성하는 중심코아(96)내에는 중심구멍(98)들이 존재한다. 자기적으로 연성재질의 코아(99)는 상기 구멍(98)들에 놓여져서 그 위치가 조정 가능하다.
상기 특징에 의해 픽오프 코일(97)에 대하여 코아(99)의 위치를 변화시키는 것에 의해 가속도계의 픽오프 출력이 조정가능하게 된다.
도 11 은 가속도계의 제 8 실시예를 나타낸다. 도 11 은 내질량 구성부(101)와; 서스펜션 장치(102)와; 결합와셔(103)와 토크발생기 코일(104)과; 컵모양 자기 회로(105)와 픽오프 코일(107)과 자기회로를 구성하는 중심코아내의 구멍(108)과; 결합와셔내의 중심구멍(19)과 내질량 구성부내의 장방향 개구부(110)와 비자성물질의 3단 코아(111)를 나타낸다.
이전의 실시예에서와 같이, 상기 실시예에 있어서, 컵모양의 자기회로(105)를 구성하는 중심코아(106)내에는 중앙의 원통형 동심구멍(108)이 관통된다.
더구나 결합와셔(103)는 또한 중심구멍(109)이 구성된다. 상기 구멍들이 자기회로를 구성하는 중심구멍(106)내의 구멍(108)과 동심축을 이룬다. 모든 중심구멍(108,109)은 동일 직경을 가진다. 가속도계 조립에 이용되는 처리기술에 의해 축을 따라 구멍들이 일직선상에 놓인다. 그리고 마지막으로, 내질량 구성부(101)내에는 장방향 개구부(110)가 존재한다. 개구부(110)의 최소크기는 구멍(108,109)의 직경과 동일하거나 크다.
비자성 물질의 3단 원통형 코아(111)는 구멍(108,109,110)내에 구성된다. 코아(111)를 구성하는 단부단계들의 직경들이 구멍(108,109)의 직경과 동일하다. 코아(111)를 구성하는 중간 단계의 직경은 결합 와셔(103)내의 구멍(109)의 직경보다 작다. 코아(111)의 중간 단계의 길이는 중심 코아(106)들의 자극 슈들 사이의 최소거리와 동일하거나 크다.
가속도계의 제8실시예에 의하면 가속도계의 축(PA,HA)를 통과하는 평면상에 상당한 크기의 가속도 발생시 내질량의 서스펜션 장치 플렉셔를 위한 보호기능이 이루어진다. 가속도계의 서스펜션 장치가 도1, 도2 또는 도6에 따라 내질량의 평면에서 상당한 가속도 발생시 압축 작용이 안정성을 잃고, 안정성이 깨질 때 서스펜션 장치가 휘게 된다. 제 8 실시예를 따르는 장치를 구성할 때 코아(111)의 중간 단계 및 결합 와셔(103)내에서 구멍(109) 벽 사이의 간격이 존재할때까지 축(PA-HA)의 평면내에서 내질량이 확인가능하다. 축(PA-HA)가 구성되는 평면 사이의 내질량이 이동시 구멍(109)벽은 코아(111)의 중간 단계와 접촉하고, 서스펜션 장치 휨에 의한 변형이 중지된다. 보호기능이 이루어진다.
축(PA-HA)의 평면상에 나타나는 가속도가 허용치까지 감소될 때 가속도계 내질량은 서스펜션 장치의 압축 상태의 휨의 탄성력에 의해 영향을 받으며 코아(111)와 접촉이 떨어지고, 보상기능의 가속도계 정상 작동 상태를 회복한다.
가속도계의 제 8실시예의 제 2 형태가 가능하다. 상기 형태에 따르면, 3단계 코아(111)의 전체 길이는 자기 회로들(105)의 외측변부들 사이의 거리보다 작다. 코아(111) 그자체는 자기적으로 연성재질이다. 휨으로 부터 파손 방지기능의 보호장치를 가지는 구성에 의해 가속도계의 픽오프 출력이 조정가능하다. 상기 작용은 픽오프 코일(107)에 대하여 강자성(ferro magnectic)코아(111)의 위치 변화에 의해 이루어진다.
도 12는 가속도계의 제 8실시예의 제 3형태를 나타낸다. 도 12의 부호는 도 11의 부호와 유사하다. 유일한 차이는 자기적으로 연성 재질의 코아(112)에 있다.
도 12의 가속도계 구성에 있어서 강자성 재질의 코아(112)에 의해 가속도계 픽오프 출력을 조정가능한 반면에 비자성 재질의 3단계 코아(111)에 의해, 서스펜션 장치 휨으로 부터 보호기능이 이루어진다. 가속도계 조정시 픽오프 출력을 조정하기 위해 코아(112)의 위치는 픽오프 코일(107)에 대해 변화된다.
가속도계의 제 7 및 제 8 실시예를 나타내는 도 10, 도11 및 도 12에 있어서, 토크 발생기가 나타나고, 상기 토크 발생기내에는 컵 모양의 자기회로를 구성하는 원통형벽이 축 극성 영구자석이 된다. 그러나, 가속도계의 제 7 및 제 8 실시예는 자기회로내의 중심 구멍들 또는 전자석이 영구자석 대신에 사용되는 토크 발생기가 구성된다.
도 13 은 가속도계의 제 9 실시예를 나타낸다. 상기 실시예에 따르면, 픽오프 코일의 주코일(115,116) 및 추가의 토로이달조정코일(117,118)과 자기회로를 구성하는 각각의 중심 코아(113,114)가 부착된다. 픽오프 코일을 구성하고 서로에 대해 미분이 이루어지도록 연결되는 주코일(115,116)이 가속도계 보상루프의 프리앰프(119)의 출력에 서로 연결된다.
픽오프 출력 신호가 조정될 때, 추가의 코일(117,118)의 섹숀(section)이 단락되어, 신속한 귀환이 이루어진다. 그래서, 픽오프 신호의 직각성분이 조정가능하다.
도 14는 탈착 가능한 케이스를 구성하는 각각 구성부의 열보상기가 실리콘바 및 자기회로 사이의 간격내에 위치한 원통형 부시로서 구성되고 가속도계의 제 10 실시예를 나타낸다.
도 14 는 내질량(121)과; 컵모양의 자기회로(122, 123)와;에서 탈착 가능한 케이스의 실리콘 바(124,125)와; 열보상기(126,127)를 나타낸다.
열보상기 부시의 길이는 대략 컵모양의 자기회로의 높이와 동일하다. 예를들어 열보상기 부시(126)의 일부는 내질량(121)을 향하고, 자기회로(122)에 부착된다. 또다른 부시(126) 부분이 실리콘바(124)에 부착된다. 열보상기(127)가 열보상기(126)에 유사한 방법으로 부착된다.
가속도계의 제 6 실시예에 대한 제 5 형태가 구성가능하다.
제 1 형태에 따르면 축 n을 따라 실리콘바(124)의 열팽창계수와 거의 동일한 열팽창 계수를 가지는 동일한 재료로 열보상기가 제조된다. 내질량을 향하는 자기회로(122)의 변부 및 내질량 사이의 간격 및 대략 일정하게 유지된다. 장치의 우측 구성부는 모든 것이 동일하다.
제 2 형태에 따르면, 탈착 가능한 케이스의 제 1 구성부의 예를들어 제 1 열보상기가 열팽창 계수(αT2)를 가지는 재료로 제조된다. 제 2 열보상기는 실리콘의 열팽창 계수 (αSi)와 대략 동일한 열팽창 계수(αT2)를 가지는 재료로 제조된다.
가속도계 부품에 대한 상기 재질조합에 의해 작동 정확도에 있어서 픽오프 제로신호(pick-of zero signal)의 온도 하강 영향이 감소될 수 있다.
다음 경우를 고려하라. 픽오프 제로신호가 픽오프의 조정온도 t＊에서 { U}`_{0 } ^{* } 와 등가하고, 온도 변화 (t = t*+ △t)에서 제로 신호가 관계식 U0= { U}`_{0 } ^{* } + △U0에 의해 결정될 것이다. 다음에 픽오프제로 신호의 온도 하강의 계수 Kv1은
KUt=△Uo/△t
로 정의된다고 가정한다.
(픽오프 출력 신호가 제로 신호 U0와 등가하다) 조정위치의 픽오프 로터가 값(△X)에 의해 스테이터에 대해 변위를 발생 시킨다고 가정한다. 변위의 상기 위치에서 픽오프 출력 신호(U)는 U=Uo+△U와 등가하다. 픽오프 전달비 KPO는
KPO= △U/△X
로 정의된다.
픽오프 제로 신호의 온도 변화(△Uo)가 온도변화(△t)에 의해 온도 변화시 픽오프 출력 신호의 온도변화에 의해 보상될 수 있다. 즉 픽오프 출력 신호에 대한 관계식 U = { U}`_{0 } ^{* } + △Uo - △U에서 △Uo=△U가 된다.
실리콘바(124)의 두께(h)의 변화(△h)는 △h=ho·αsi△t(단 ho는 온도 t*에서 실리콘바(124의 두께)이다. 열보상기 부시(126)의 길이 변화(△ℓ)은 △ℓ=ℓo··αT1·△t(단 ℓo는 온도 t*에서 열보상기 부시의 길이). 픽오프로터에 대해(내질량에 대해) 자기 회로(122)의 중심 코아 상에 구성된 픽오프 스테이터 코일의 변위 (△XO)는 △Xc= △ℓ-△h =(ℓo·αT1-ho·αsi)t와 동일한데 ℓo≒ ho이고
△Xc≒1Oㆍ(aT1-asi)△t
이기 때문이다.
상기에서와 같이 보상기능을 제공하기 위해 △Uo= △U가 성립되는 것이 필수이고 식(1)에 의하면 △Uo는 KU1△t인 반면에, 식(2)에 의하면 △U는 KPO△X가 된다.
여기서 주목할 사항으로서, 관심의 대상이 되는 픽오프(pick-off)는 미분신호이고 따라서, 값(△X)에 의해 출력 값을 변화시키기 위해서 값(△X)에 의해 스테이터에 대해 로터의 위치를 변화시키는 것이 필요하고 값 △Xc(=2·△X)에 의해 로터에 대해(내질량에 대해) 하나의 스테이터 코일(자기회로(122)내의 코일)의 위치 변경이 필요하다. 그래서 △Uo=△U를 제공하는 것이 필요하고, 즉
KUtㆍ△t = KPOㆍ△X=KPOㆍ△XC/2
이고 결과적으로
△XC=2ㆍKUtㆍ△t/KPO
가 된다.
식(3)을 고려하면, lO·(αT1- αsi)·△t=2KV1·△t/Kpo를 얻고,
aT1-asi= 2ㆍkUtㆍ(KPOㆍ1O)
를 얻는다.
그러므로, 만약 열보상기(126)의 재료가 픽오프 제로 신호의 온도 변화의 관계식(6)을 만족하는 열팽창 계수(αT1)을 가지도록 선택하면, 상기 변화는 가속도계 작동 정확성에 대하여 서스펜션 장치의 스티프 니스(stiffness)를 통해 영향을 주지않는다.
설계자의 선택이 이루어지고 열 보상기들을 제조하기 위한 재료의 리스트(list)가 제거되고, 관계식(6)을 정확히 제공하기는 실제로 불가능하다.
그러므로 가속도계의 제 10 실시예의 제 3 형태에 따르면, 예를들어 제 1 열보상기(126)는 열팽창계수(αT1)을 가지는 재질인 반면에, 제 2 열보상기(127)는 열팽창 계수(αT2)를 가지는 재질이다.
그러므로, 관계식(3)을 따르고 픽오프로터에 대하여 자기회로(122)내에 위치하는 제 1 픽오프 스테이터 코일의 위치변화는 △Xc1≒ℓo·(αT1- αsi)·△t인 반면에 자기회로(123)에 위치하는 제 2 픽오프 스테이터코일의 위치변화는 △Xc2≒ℓo·(αT2- αsi)·△t가 된다.
만약 △Xc1+ △Xc2= 2·KU1·△t/Kpo(관계식(5)를 참고)이거나, △XC1-△XC2= 2·KU1·△t/Kpo이라면 보상조건(△Uo=△U)를 만족한다.
그래서, 마지막으로 αT1및αT2를 결정하는 관계식은:
(αT2-asi)±(αT1-asi)=2ㆍKUtㆍ△t(KPOㆍ1O)
로 표현된다.
가속도계의 제 10 실시예의 제 4 형태에 의해 전체 장치의 제로신호(Io)의 온도 변화를 보상한다.
이것을 설명한다. 가속계 조정이 이루어지는 온도 t*에서 제로 신호는 { I}`_{0 } ^{* } 와 등가하고, 온도변화 t = t*+ △t에서 장치의 제로 신호가 IO= { I}`_{0 } ^{* } + △I0로 결정된다고 가정한다. 이 경우 제로 신호의 온도강하 계수 KIl은
KTι=△IO/△t
로 정의된다.
△IO에 의해 가속도계 제로신호치의 변화가 장력 (MT)의 모멘트 변화 (△MT)에 의해 야기되고,
△MT=KPOㆍ△IO
이다. 단 KTM은 가속도계 토크 발생기의 전달비이다.
가속도계가 가지는 장력의 모멘트 변화(△MT) 및 장치의 제로신호변화(△IO)는 가속도계 내질량의 이탈각도(β)의 변화 (△β)에 의해 보상가능하다. 내질량이 각도변화(△β)에 의해 이탈될 때, 추가의 모멘트(△M = C·△β)가 내질량에 부가된다(단 C는 내질량에 대한 서스펜션 장치의 스티프니스이다).
내질량의 이탈각도(β)의 각도변화(△β)는 의도적으로 픽오프 출력신호의변화를 통해 발생 시킬수 있다. 만약 값(△β)가 △M=△MT또는 C△β=KTM·△I0가 되도록 선택된다면, 변화량 △MT는 각도(β)의 변화에 의해 보상된다.
픽오프 출력 신호의 의도적 변화(△U)는 픽오프 로터에 대해 자기회로(122)와 함께 스테이터 코일의 위치변화를 통해 이루어진다. 의도적 위치 변화는 열보상기(126)를 위한 재료선택에 의해 구체화된다.
제 4 형태를 따라 상기 설명에 의하면, 도 15에 의해 나타나는 블록선도에 의해 설명된다. 도 15 는 내질량의 전달함수(WPM)(128)과; 프리앰프 직렬로 연결된 보정유니트 및 파워앰프의 전달비(KSA)(130)와; 토그 발생기 전달비(KTM)(131)와; 내질량에 대한 서스펜션 장치의 스티프니스(C)(132)와 관성 모멘트(m·ℓ·a)와; 장력의 모멘트(MT)와; 픽오프 출력신호의 의도적 변화(△U)를 나타낸다.
도 15의 블록선도에 따르면, 픽오프(129) 출력 신호(U)의 변화(△U)는 관계식
을 따르는 각도(β)의 각도 변화(△β)를 발생시킨다.
관계식(4)로 부터 열보상기(126)에 의해 구분되는 픽오프 출력 신호의 변화(△U)는 U=KPO△XC/2 또는 관계식(3)을 고려하면,
△U=0.5ㆍKPOㆍ1Oㆍ(αT1-asi)ㆍ△t
를 얻는다.
관계식(8) 및 (9)에 따르면, 변화량 △MT=KTM·KT1·△t이다. 상기 변화량(△MT)는 과도토크△M = C·△β에 의해 보상된다. △MT및 △M 가 등가하고 관계식(10) 및 (11)을 고려하면,
을 얻는다.
내질량의 전달함수(WPM)은 WPM=1/(Ip2+Bp +C)이고 단 내질량의 관성 모멘트(I)와; 감쇄계수(B)와; 내질량에 대한 서스펜션 장치의 스티프니스(C)와; 라플라스 연산자(p)를 나타낸다.
모멘트 △MT=△M의 보상모드(compensation mode)가 p=0이고 WPM=1/C인 정적모드와 등가하다. 관계식을 관계식(12)의 WPM에 대한 식으로 대체하면, 우리는 최종적으로
을 얻는다.
그래서 관계식 (13)을 따르는 열보상기(126)에 대한 재료를 선택하면 우리는 가속도계 제로 신호의 변화를 보상하게 된다.
가속도계의 제 10실시예의 제 5 형태에 의해 양자의 열보상기들에 대한 재료를 선택하여 장치의 제로 신호(I0)가 제공된다.
제 1 열보상기에 대한 열 팽창계수가 αT1과 같고, 제 2 열보상기에 대해 αT2라 가정한다. 다음에 관계식(7) 및 관계식(13)의 유사성에 의해 제 5 형태는 :
의 관계식을 얻는다.
도 16은 가속도계의 제 11 실시예를 나타낸다. 상기 실시예에 따르면, 탈착가능한 케이스의 각각의 구성부의 열보상기는 또한 실리콘바 및 자기회로사이에 존재하는 간격내에 구성되는 원통형 부시로서 구성된다. 도 16은: 내질량(133)과; 토크 발생기의 컵모양의 자기회로(134,135)와; 탈착 가능한 케이스의 실리콘바(136,137)와 열보상기(138,139)를 나타낸다.
(제10 실시예 뿐만 아니라) 제 11 실시예에 있어서 열보상기의 길이는 대략 자기회로의 높이와 대략 동일하다. 그러나 여기서, 내질량(1338)을 향하는 예를들어 열보상기(138)의 부시부분이 실리콘바(136)에 부착된다. 내질량(133)로 부터 가장 멀리 떨어진 다른 부시(138)의 일부는 자기회로(134)에 부착된다. 열보상기(139)의 부시는 유사하게 열보상기(138)의 부시에 부착된다.
가속도계의 제 11 실시예를 구성하는 제 5 형태가 가능하다.
제 1 형태에 따르면, 가속도계의 열보상기 양자는 컵모양의 자기회로가 가지는 토크 발생기의 원통형 벽의 재료의 열팽창계와 대략 동일한 열팽창 계수를 가지는 재료로 제조된다.
주목할 사항으로, 자기회로의 원통형벽의 재료는 자기적으로 연성인(페로몰로이(permolloy)페라이트(ferrite))또는 자기적으로 강성인 재료가 가능하다(도7을 참고).
축(5A)을 따라 컵모양의 자기회로(134)의 원통형 벽의 열팽창은 동일한 축을 따르는 열보상기 부시(138)의 열팽창에 의해 보상된다. 그러므로, 자기회로(134)의 변부 및 가속도계의 내질량 사이의 간격은 대략 일정하다. 가속도계의 우측 구성부는 구성요소의 동일한 온도 변형 특성을 가진다.
가속도계의 실시예의 제 7 형태에 따르면, 예를들어 제 1 열보상기(138)는 탈착 가능한 케이스의 제 1 구성부내에서 열팽창 계수(αT1)를 가진 재료로 제조된다. 제 2 열보상기(139)는 컵모양의 자기회로를 구성하는 원통형 벽의 열팽창 계수(αM)과 대략 동일한 열팽창계수(αT2)를 가지는 재질로 제조된다.
상기 실시예의 제 2 형태에 있어서, 구성부품의 유사 재질 조합이 가속도계운동과 관련한 정확도에 대해 픽오프 제로신호의 온도 강하 효과를 감소시킬 수 있는지를 이미 고려해 보았다.
고려할 사항으로 관심의 대상이 되는 가속도계 형태에 있어서(내질량상에 구성된)픽오프 로터에 대해 자기회로(134)의 중심코아상에 구성되는 픽오프 스테이터의 위치 변화(△XC)는 △XC= △ℓ -△b =(ℓoαT1-boαsi)△t와 등가하다. 상기 관계식에서 컵모양의 자기회로(134)가 가지는 높이 "b"의 변화 (△b)는 △b=boαM△t이다(단 bo는 가속도계 픽오프 조정시 온도 t*에서 자기회로의 원통형벽의 높이)
Since 1o≒bo, △Xc≒1o(αT1-αsi)△t
이기 때문에, 관계식(6)에 유사하게 가속도계의 제 11 실시예의 제 2 형태의 유도에서,
αT1-αM=2ㆍkUt(KPO1O)
가 된다.
가속도계의 제 11 실시예의 제 3 형태에 있어서(예를들어)제 1 열보상기(138)는 열팽창 계수(αT1)을 가지는 재료로 제조되는 반면에, 제 2 열보상기(139)는 열팽창계수(αT2)를 가지는 재료로 제조된다.
가속도계의 제 11 실시예의 제 3 형태에 대한 관계식(7) 및 (15)을 구하는 방법을 고려하면, 제 1 열보상기 및 제 2 열보상기의 열팽창 계수(αT1,αT12)를 선택하기 위해 관계식을 얻는다.
(αT2-αM)±(αT1-αM)=2ㆍKTM/(KPO1O)
가속도계의 제 11 실시예의 제 4 형태에 의하면, 설계자는 가속도계 제로신호(Io)의 온도변화를 보상하는 것이 가능하다.
관계식(13)을 유도하면서, 저자들은 상기 가능성을 설명한다. 여기서, 주목할 것은 관심의 대상이 되는 가속도계의 형태에 있어서, 장치의 제 1 구성부내의 열보상기는 열팽창 계수(αT1)를 가지는 재료로 제조되는 반면에 장치의 제 2 구성부내의 열보상기는 자기회로를 구성하는 원통형 벽의 열팽창 계수(αM)와 거의 등가한 열팽창 계수를 가지는 재료로 제조된다.
상기와 유사하게, 관계식(13)을 구하기 위해, 관계식(15)을 고려하면, 가속도계의 실시예의 제 4 형태에 대한 관계식은
로 표현된다.
가속도계의 제 11 실시예의 제 5 형태에 의하면 열보상기 양자에 대한 부시재료를 선택하는 것에 의해 장치 제로신호(Io)의 보상이 이루어진다. 만약 제 1 열보상기의 열팽창 계수가 αT1이고 αT12가 관계식(14) 및 (18)으로 앞에서 유사하게 유도된 제 2 열보상기의 열팽창 계수라면,
의 관계식을 얻는다.
그래서, 가속도계의 제 11 실시예의 제 5 형태를 구성하려면, 열팽창 계수(αT1,αT2)가 관계식(19)을 만족하도록 열보상기 부시재료를 선택하는 것이 필요한 계수(αT1,αT2및αM)에 대한 두 개의 다른 표현식:
(αT2-αM)+(αT1-αM) 또는 (αT2-αM)-(αT1-αM) 으로 표현된다.
도 17은 제 1 실시예에서 열보상기의 원통형 부시를 나타낸다. 상기 실시예에 따르면 부시의 변부(141,142)의 각각에는 두께내에서 여러개의 관통 슬롯(143,144)이 존재한다. 부시의 각 측면상에 슬롯의 숫자는 동일하다. 예를들어, 도 17에 있어서 각 측면에는 4개의 슬롯 즉, 4개의 슬롯(143) 및 4개의 슬롯(144)가 있다. 관통 슬롯(143,144)은 원통형 부시의 모선을 향하고, 부시 길이의 반에 해당한다. 부시의 좌측변부(142)상의 슬롯들(144)은 부시의 우측변부(141) 상의 슬롯들(143) 사이에 구성된다.
4개의 표면(145) 및 4개의 표면(146)는 부시를 실리콘바 및 컵 모양의 자기선(magnetic wlre)에 부착시키는 영역이다.
도 18 은 열보상기의 원통형 부시의 제 2 실시예를 나타낸다. 상기 제 2 실시예에 의하면 부시는 변부(147,148)상에 여러쌍의 관통 슬롯(149,150)이 구성된다. 부시의 각변부에 위치한 슬롯쌍의 수는 동일하다. 도 18에 있어서, 예를들어, 부시의 변부상에는 세쌍의 관통 슬롯(149)이 있다. 부시의 변부(148)에는 또한 세쌍의 관통 슬롯(150)이 있다. 열보상기를 구성하는 변부(147)상에 슬롯(149)쌍들은 부시축에 대해 수직이고, 중간에서 부시를 가로지르는 평면에 대해 열보상기의 변부(148)상의 슬롯쌍(150)에 대해 대칭구조를 이룬다.
세 개의 표면(151) 및 세 개의 표면(152)은 열보상기들을 토크 발생기의 컵 모양의 자기회로 및 실리콘바에 부착되는 영역이 된다.
도 19 는 가속도계의 제 12 실시예를 나타낸다. 도 19는 프리앰프(153)와; 스위치(154)와; 메모리 커패시터(memory capacitor)(155)와; 보정뉴니트(156)와; 펄스변조기(157)와 스위치회로(158)와 픽오프 코일(161)과 토크 발생기 전류(ITM)(피드백 전류)를 나타낸다.
도 20 은 스위칭 회로를 연결하기 위한 가능한 실시예중 하나를 나타낸다. 도 20는 스위치들(163........166)과 픽오프 권선(167)과; 펄스 변조기(168)와; 전류 모실레이터(169)를 나타낸다.
스위치들(163.....166)의 제어입력 신호들이 펄스 변조기(168)의 제어출력 신호들과 연결된다. 검파기(168)는 쌍으로 스위치(163,166) 또는 스위치(164,165)를 폐쇄시킨다. 도 21 및 도 22 는 예로서 펄스 변조기로서 펄스폭 변조기(도22) 및 펄스폭 변조기(도21)를 사용하는 경우 피드백 전류의 타이밍 선도를 나타낸다.
제 12 실시예의 특징은 다음과 같다. 예를들어, 피드백 전류의 선단 변부 펄스는 픽오프자기회로내의 자기 플럭스 변화가 픽오프의 각각의 코일내에서 펄스(BMF)를 포함하는 토크 발생기 코일을 통과한다. 상기 BMF의 크기는 각각의 코일에서 가속도계의 내질량의 이탈 각도에 의존한다. 픽오프 코일은 미분제어가 되게 연결되고, 그러므로 픽오프 출력시 결과적으로 발생하는 전압 크기는 내질량의 이탈각도에 비례하지만 전압의 구성은 내질량의 이탈각도 부호에 의존한다.
픽오프 출력시 전압은 주기적으로 스위치(154)를 통해 메모리 커패시터(155)에 부착된다.(도19를 참고).
정지기간동안, 제 12 실시예를 따르는 가속계의 작동은 펄스 피드백 전류를 사용하는 보상형 가속도계의 작동과 다르지 않다.
가속도계의 제 13 실시예에 따르면, 가속도계의 중간에 위치한 부시의 원통형 표면상에는 텐서레지스터(tensoresistor)가 부착되며, 가속도계의 측정축에 대해 평행하고 민감한 축을 가진다.
양자의 텐서레지스터가 서로 미분제어가 이루어지게 연결되나, 텐서레지스터의 미분회로 출력을 여분의 앰프를 통해 가속도계 보상루프의 파워 앰프 출력부에 연결된다.
도 23 은 제 13 실시예를 따르는 가속도계의 블록선도를 나타낸다. 블록선도는: 내질량(171)과; 전달비(Kpo)를 가진 가속도계 픽오프(172)와; 전달비(KSA)를 가진 가속도계 앰프(173)와; 전달비(KTM)를 가진 가속도계 토크 발생기(174)와; 좌측열보상기를 구성하는 부시가 형성하는 픽오프의 좌측 자기회로의 질량(mML)(175)우측 열보기를 구성하는 부시가 형성하는 픽오프의 우측 자기회로의 질량(mMR)(176); 전달비(1/SL)(SL은 좌측 열보상기 부시의 단면적)를 가진 전달 유니트(177)와; 전달비(1/SR)(SR은 우측 열보상기 부시의 단면적)를 가진 전달 유니트(178)와; 전달비(KTRL)를 가진 좌측 열보상기에 부착된 텐서레지스터(179)와; 전달비(KTRR)를 가진 우측 열보상기에 부착된 텐서레지스터(180)와; 전달비(KDS)를 가진 텐서레지스터의 미분회로(181)과; 전달비(KEA)를 가진 여분의 앰프(182)를 나타낸다.
게다가 도 23은 다음의 부호: 가속도계의 측정축을 따르는 가속도(a)와; 펜튤럼 가속도계(ml)와; 가속도계의 출력 전류(IOP)와; 관성력(FL및 FR) FL= mMLa, FR=mMRa와; 좌우측 열보상기 부시들의 단면적에 작용하는 수직응력(σL, σR)과; 텐서레지스터의 저항치의 변화(△RL)과 ; 텐서레지스터(180)의 저항치의 변화(△RR)을 나타낸다.
가속도계의 케이스와 열보상기 부시를 통해 연결되는 토크 발생기의 좌측 자기회로는 추가의 축방향 가속도계를 형성한다. 가속도(a)가 이용 가능할 때, 관성력 FL= mML·a이다. 상기 관성력에 의해 열보상기의 부시내에는 수직응력 σL= FL/SL이 발생된다. 응력 σL은 텐서레지스터(179)에 의해 측정된다. (응력 σL의 변화가 발생할 때 텐서레지터의 저항치는:△RL=KTRLσL)
마지막으로 △RL=(mMLa/SL)KTRL.
유사하게, 가속도계의 우측부에는 축방향으로 추가의 가속도계가 존재하고, 단
△RR=(mMRa/SR)KTRR
이다.
만약 가속도계의 양측이 동일하다고 가정하면
△R=(mMKTR/S)a
가 된다.
관계식(20)을 고려하고, 텐서레지스터 연결(181)의 미분회로의 출력 전압은:
UDS=KDS(mTkTR/S)a
가 된다.
추가로 구성되는 앰프(182)의 출력전류 IEA는
IEA=KEAKDS(mMKTRS)a
가 된다.
주요 보상형 가속도계의 측정축과 평행한 측정축을 가지고 추가의 저 정밀도 가속도계와 함께 지능이 이루어지는 보상형 가속도계의 일반적인 사항이 예를들어 영국특허 제 2,158,243호에서 고려된다. 추가로 구성되는 앰프(182)의 전달비(KEA)는 다음과 같이 선택된다.
입력 유니트의 가속도에 대하여 주요 보상형 가속도계의 전류 IOP는 정역학적으로
I* OP=mlKPOKSA/(C+KPOKSAKTM)
가 된다.
동일한 입력 유니트의 가속도에 대하여 추가의 가속도계의 출력부에서의 전류 IEA는
I* EA=KTRKEAKDSmM/S
가 된다.
{ I}`_{OP } ^{* }= { I}`_{EA } ^{* } 임을 고려하면, 추가의 가속도계에 대한 이득 KEA을 결정할 수 있다.
가속도계를 구성하는 외부 보호용 커버는 자기적으로 연성인 재질이다.
토크 발생기 코일을 내질량 구성부에 부착시키는 결합 와셔의 열팽창 계수는 내질량 웨이퍼의 열팽창 계수보다 크고, 토크 발생기 코일의 열팽창 계수보다 작다.
도 24 는 가속도계의 제 14 실시예를 따르는 내질량 조립품을 나타낸다. 도 24 는: 장착 프레임(183)과; 서스펜션 장치 플렉셔(184)와; 내질량 구성부(185)와; 토크 발생기 코일(186)과; 전류 공급을 위한 금속화 트랙(187)과; 장착 패드(188)와; 내질량 구성부내에 위치한 관통개구부(189)을 나타낸다.
가속도계의 조립시 내질량 구성부(185)에 대한 가속도계의 실시예에 따르면, 동일한 높이를 가지는 여러개의 장착 패드(188)가 형성된다. 내질량이 조립될 때, 토크발생기 코일(186)이 상기 장착 패드(188)에 직접 부착된다.

Claims (8)

  1. 감지 축을 따라서 가속도를 측정하는 보상형 가속도계에 있어서;
    분리 가능한 케이스와;
    상기 케이스 내에 놓여 진동 질량을 지지하기 위한 지지수단;
    상기 케이스로부터 진동 질량까지 전류를 공급하기 위한 공급수단;
    가스 댐퍼; 그리고
    차동형 픽오프(pick-off), 프리앰프, 교정장치, 파워앰프로서의 출력 스테이지, 그리고 일정한 자기 플럭스 소스와 운동 가능한 코일을 가지는 차동형 토오크 장치를 포함하는 보상루프를 형성하기 위해 연속하여 연결되는 수단을 포함하며,
    진동질량에 있어서, 상기 지지수단과 장착 프레임은 단결정 실리콘인 진동질량의 전체 웨이퍼로부터 만들어지고, 토오크 가동 코일은 연결 와셔를 토하여 진동 질량 패들에 부착되며,
    상기 분리가능한 케이스의 각 반쪽은 진동질량 웨이퍼와 동일한 방향을 갖는 단결정 실리콘으로부터 만들어진 원통형 구멍이 있는 막대로 이루어지고, 중심 코어가 있는 컵 모양의 자성 유연재료 자기회로는 간극을 가지고 상기 막대의 원통형 구멍 안으로 놓여지며, 상기 중심 코어는 축 편광 영구자석과 자기 유연재료로부터의 자극 슈(shoe) 그리고 상기 막대와 자기회로 사이의 열 보상장치인 기계적 커넥터로 구성되고, 각 커넥터 와셔는 진동질량의 웨이퍼와 동일한 방향을 갖는 단결정 실리콘으로 만들어지며, 픽 오프는 두 개의 별도로 연결된 토로이드 코일로 구성되며, 상기 각 코일들은 자기회로와 고주파 오실레이터의 상기 중심 코어에 장착되고, 상기 오실레이터는 분리가능한 케이스 내의 프리앰프와 교정장치 사이에 연결되며 외부 보호용 커버 내부에 장착되는 것을 특징으로 하는 보상형 가속도계.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 지지수단은 진동질량의 실리콘 웨이퍼 외부표면에 대하여 중립인 동일 평면 내에 놓이고 상기 진동질량의 힌지 축과 진자 축에 대하여 대칭으로 놓인 네 개의 플렉셔(flexure)로 이루어지며, 진동질량으로부터 힌지 축 뒤에 진자 축으로부터 일 측면에 놓이는 상기 플렉셔 쌍 말단부들은, 일 말단부는 진동질량 패들에 고정되는 반면에 진자 축으로부터 외부 측에 놓인 플렉셔 쌍은 대칭으로 고정되는 것을 특징으로 하는 보상형 가속도계.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 각 자기 회로의 중심 코어는 자성 유연재료로부터 만들어지며, 일정 자기 플럭스 소스가 두 토로이드 코일로 만들어지고, 각 코일은 자기회로의 상기 중심 코어에 장착되고 전류 안정기에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 보상형 가속도계.
  4. 제 1 항에 있어서, 컵 형태의 자기회로의 중심 코어 내에 동축의 중심 원통형 관통 구멍이 존재하여, 각 중심구멍 안으로 자성 유연재료로 된 코어는 위치가 조정되도록 놓이는 것을 특징으로 하는 보상형 가속도계.
  5. 제 4 항에 있어서, 토오크 가동 코일을 부착하기 위하여 연결 와서 내에 자기 회로의 중심 코어의 구멍과 동축인 관통된 중심 원통형 구멍이 있으며, 중심 코어의 모든 중심 구멍들의 지름과 연결 와셔 지름은 동일하고, 진동질량 패들은 관통된 사각형 개구부를 가지며, 상기 개구부의 최소크기는 중심 코어 내의 구멍의 직경과 연결 와셔의 지름과 동일하거나 크고, 비 자성재료로 만들어진 3단계 원통형 코어는 중심 구멍 안으로 배치되고 자기회로의 중심코어 내의 중심구멍의 직경과 동일한 말단 단계 직경을 가지며, 중간단계의 직경은 연결 와셔 내의 중심구멍의 직경보다 작고 중간단계의 길이는 자기회로의 중심코어의 코어자극 슈 사이의 최소 거리보다 큰 것을 특징으로 하는 보상형 가속도계.
  6. 제 1 항에 있어서, 픽-오프의 부가적인 토로이드 조정 코일이 래치 자기 회로의 중심 코어에 장착되며, 상기 코일은 레그를 가지는 여러 섹션으로 구성되고 각 코일 섹션의 부분이 상기 레그를 통하여 회로가 접속되는 것을 특징으로 하는 보상형 가속도계.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 분리 가능한 케이스의 각 반쪽의 열 보상장치는 실리콘 막대와 자기회로 사이의 간극 안에 놓여지는 원통형 부쉬로서 이루어지며, 상기 부쉬는 컵 형태의 자기회로와 동축이고 진동질량을 향하는 방향의 부쉬부분은 자기회로에 부착되며 상기 컵 형태의 자기회로의 높이와 거의 동일한 길이를 가지며, 반대편 부쉬부분은 실리콘 막대에 부착되고, 상기 열 보상장치는 실리콘의 열팽창계수와 거의 동일한 열팽창계수를 가지는 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 보상형 가속도계.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 진동질량을 향한 상기 열 보상장치의 부쉬 부분은 상기 실리콘 막대에 부착되며, 반대편 부쉬부분은 자기 회로에 부착되는 반면에, 열 보상 장치는 컵 형태의 자기회로의 원통형 벽에 사용되는 재료의 열팽창계수와 거의 동일한 열팽창계수를 가지는 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 보상형 가속도계.
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