실리콘 진자형 가속도계는 가속도가 인가되면 기구부 조립체의 중앙에 위치한 진자(pendulum)가 편향되고, 진자 상부와 하부에 위치한 전극으로부터 정전용량의 상대적 변화를 감지하 여 인가 가속도를 측정하는 가속도계이다. 진자형 가속도계 중에는 영구자석과 진자에 고정된 코일을 이용하여 인가 가속도에 비례하는 구동전류를 발생시켜, 진자를 영점 위치로 복원 시키는 서보 시스템(servo system)을 이용하는 방식이 있다. 이러한 방식은 주로 고정밀 가속도계에 적용되며, 측정 범위가 넓어지고 주파수 대역폭이 증대되는 장점뿐만 아니라 진자가 항상 영점에 위치하게 되어 외부로부터 유입되는 기계적 진동 및 충격에 대한 내성을 향상시키는 효과가 있다. 진자형 가속도계는 무거운 관성질량체인 진자를 이용함으로써 정밀급 가 속도계용으로 적합하지만 충격에 취약하여 스톱퍼(stopper)로 진자의 변위를 제한하여 내충격 특성을 개선하기도 한다. 서보 시스템을 이용하는 진자형 가속도계에서는 가속도 감지축 방향으로의 변위는 스톱퍼 없이도 서보 시스템에 의해 제한되어 외부 충격으로 인한 진자의 파손 발생 가능성은 낮지만, 감지축에 대해 수직한 방향으로 인가되는 충격에 대해서는 진자 와 연결되는 플렉셔에 응력이 집중되어 구조 안전성을 확보하기 어려운 문제가 있다. 본 논문에서는 고정밀 실리콘 진자형 가속도계를 내충격 특성이 요구되는 무기체계에 적용하기 위 해, 가속도계의 구조적 안전성을 개선할 수 있는 설계 요소들을 파악하고 충격모의기를 이용하여 내충격 특성을 평가한 결과를 다루었다.

A Study on Improving the Impact Resistance Characteristics of Silicon Pendulous Accelerometer

Jun Eon An*, Seungbeom Park, Cheon-Joong Kim

When acceleration is applied, the accelerometer deflects a pendulum located in the center of the mechanism assembly, and measures the applied acceleration by detecting relative changes in capacitance from electrodes located at the top and bottom of the pendulum. Among pendulum-type accelerometers, there is a servo system that uses a permanent magnet and a coil fixed to the pendulum to generate a driving current proportional to the applied acceleration and restore the pendulum to the zero position. This method is mainly applied to high-precision accelerometers, and not only has the advantage of broadening the measurement range and increasing the frequency bandwidth, but also has the effect of improving resistance to mechanical vibration and shock coming from the outside because the pendulum is always located at the zero point. Pendulum-type accelerometers are suitable as precision accelerometers by using a pendulum, which is a heavy inertial mass, but are vulnerable to shock, so shock resistance characteristics are improved by limiting the displacement of the pendulum with a stopper. In a pendulum-type accelerometer using a servo system, the displacement in the direction of the acceleration detection axis is limited by the servo system even without a stopper, so the possibility of damage to the pendulum due to external shock is low. However, shock applied in a direction perpendicular to the detection axis is unlikely to occur. There is a problem in ensuring structural safety because stress is concentrated in the flexure connected to the pendulum. In this paper, in order to apply a high-precision pendulum-type accelerometer to a weapon system that requires shock resistance characteristics, design elements that can improve the structural safety of the accelerometer were identified and the results of evaluating shock resistance characteristics using an impact simulator were discussed.
Keywords: silicon pendulous accelerometer, impact resistance characteristics, servo system

Speaker 안준은* 국방과학연구소