KR101608153B1 - Acceleration Sensor for Vector Hydrophone - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 벡터 하이드로폰에 적용하기 위한 가속도 센서 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압전 단결정을 이용하는 가속도 센서에 관한 것이다.The present invention relates to an acceleration sensor for applying to a vector hydrophone, and more particularly, to an acceleration sensor using a piezoelectric single crystal.
가속도 센서는 출력 신호를 처리하여 물체의 가속도, 진동, 충격 등의 동적 힘을 측정하는 것이다. 가속도 센서는 다양한 분야에서 활용되며, 예를 들어 운송 수단, 공장 자동화 및 로봇 등의 제어 시스템에서 사용되고, 통신 기기 등에도 내장된다. 가속도 센서를 검출 방식으로 분류하면 관성식, 자이로식, 실리콘 반도체식으로 분류할 수 있다.The acceleration sensor processes the output signal to measure dynamic forces such as acceleration, vibration, and shock of the object. The acceleration sensor is used in various fields, for example, in a control system of a transportation means, a factory automation and a robot, and is also incorporated in a communication device. If the acceleration sensor is classified into the detection method, it can be classified into inertia type, gyro type, and silicon semiconductor type.
관성식 가속도 센서는 압전 재료를 이용하는 가속도 센서를 포함한다. 현재 폭넓게 사용되는 압전 재료의 일 예로서 PZT(lead zirconate titanate) 세라믹을 들 수 있다. 상기 PZT 세라믹을 이용한 가속도 센서는 오랜 기간 동안 성능 개선이 이루어져 왔으나, 압전 재료 자체의 한계 때문에 더 이상의 성능 개선이 곤란하다는 문제점이 있다.The inertial acceleration sensor includes an acceleration sensor using a piezoelectric material. An example of a piezoelectric material widely used at present is lead zirconate titanate (PZT) ceramics. The acceleration sensor using the PZT ceramics has been improved for a long time, but it is difficult to further improve the performance due to the limitation of the piezoelectric material itself.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 압전 재료로서 PMN-PT 단결정을 이용하는 대안이 제안되었다. PZT 세라믹이 불규칙한 입자로 이루어지는 반면에, PMN-PT 단결정은 일정한 구조를 가지는 미세한 입자가 규칙적으로 배열된 구조를 가진다. PMN-PT 단결정은 PZT 세라믹에 비하여 우수한 물성을 나타내며, 따라서 가속도 센서에서 압전 재료로 이용될 경우에 성능 개선을 달성할 수 있다.To solve this problem, an alternative using a PMN-PT single crystal as a piezoelectric material has been proposed. PZT ceramics are made of irregular grains while PMN-PT monocrystals have a structure in which fine grains having a certain structure are regularly arranged. The PMN-PT single crystal exhibits excellent physical properties as compared with PZT ceramics, and therefore performance improvement can be achieved when used as a piezoelectric material in an acceleration sensor.
구체적으로, PMN-PT 단결정은 릴랙서(relaxor)인 마그네슘 니오브산연(PMN)과 압전체인 티탄산연(PT)의 고용체 단결정이다. 가속도 센서에서 PMN-PT 단결정을 압전 재료로 사용할 경우에, 통상적인 PZT 세라믹의 압전 재료와 비교하여, 압전 왜(歪)가 3배 이상으로 나타나고, 전기 기계 결합 계수도 크며, 또한 뛰어난 압전 특성을 나타낸다.Specifically, the PMN-PT single crystal is a solid solution single crystal of magnesium niobate (PMN), which is a relaxor, and titanic acid lead (PT), which is a piezoelectric material. When a PMN-PT single crystal is used as a piezoelectric material in an acceleration sensor, the piezoelectric distortion is three times or more larger than that of a conventional piezoelectric material of PZT ceramics, the electromechanical coupling coefficient is large, .
한편, 벡터 하이드로폰(hydrophone)은 해상 탐사용 수진기로서, 압전 재료로 구성된 가속도계를 구비한다. 벡터 하이드로폰에서는 음파에 의한 힘이 가속도계의 베이스를 구성하는 강체에 전달됨으로써 가속도계가 압력을 감지하게 되며, 그에 따른 전기적 신호로부터 음파의 방향을 탐지할 수 있다. On the other hand, a vector hydrophone is a water-borne surveying instrument and has an accelerometer composed of a piezoelectric material. In the vector hydrophone, the force of the sound wave is transmitted to the body constituting the base of the accelerometer, whereby the accelerometer senses the pressure, and the direction of the sound wave can be detected from the electrical signal.
미국 특허 US 7,066,026 B2 에는 PMN-PT 단결정을 이용한 가속도계 및 상기 가속도계를 구비한 음향 벡터 센서(acoustic vector sensor)가 개시되어 있다. 상기 미국 특허에 개시된 가속도계는 PMT-PT 단결정으로 이루어진 압전 재료를 질량체와 베이스 사이에 배치하고, 압전 재료와 질량체 사이 및 압전 재료와 베이스 사이에 돌출부(protrusion) 및 요부(recess)로 이루어지는 성곽 패턴(castellated pattern)을 도입함으로써, 릴랙서 크리스탈(relaxor crystal)에 대한 부정적인 영향을 감소시킨다.U.S. Patent No. 7,066,026 B2 discloses an accelerometer using a PMN-PT single crystal and an acoustic vector sensor having the accelerometer. The accelerometer disclosed in the above-mentioned United States patent discloses a structure in which a piezoelectric material composed of a PMT-PT single crystal is disposed between a mass and a base, and a cast pattern (a protrusion and a recess) is formed between the piezoelectric material and the mass, castellated pattern to reduce the negative effect on the relaxor crystal.
한편, 상기 미국 특허에 개시된 음향학적 벡터 센서는 원통형 하우징 내주면에 배치된 3 개의 가속도계를 포함한다. 상기 각각의 가속도계에 포함하는 각각의 압전 재료(즉, 릴랙서 시어 크리스탈 플레이트)는 특정한 방위(orientation)로 절단됨으로써, 제 1 방향에서 최대의 압전 응답을 발생시키는 반면에, 상기 제 1 방향에 직각인 제 2 방향 및 제 3 방향에서 최소의 압전 응답을 발생시키게 된다. 따라서 음향학적 벡터 센서에 구비된 3 개의 가속도계는 각각의 압전 재료의 방위가 서로에 대하여 직각으로 되도록 원통형 하우징의 내부에 설치되며, 상기 3 개의 가속도계로부터 검출되는 상이한 신호로부터 음파의 방향을 판단할 수 있다. On the other hand, the acoustical vector sensor disclosed in the U.S. patent includes three accelerometers disposed on the inner circumference of the cylindrical housing. Each of the piezoelectric materials included in each of the accelerometers is cut in a specific orientation so as to generate a maximum piezoelectric response in the first direction, In the second direction and the third direction, which are the first and second directions. Therefore, the three accelerometers provided in the acoustic vector sensor are installed inside the cylindrical housing so that the orientations of the respective piezoelectric materials are orthogonal to each other, and the direction of the sound wave can be determined from the different signals detected from the three accelerometers have.
상기 미국 특허에 개시된 가속도계는 PMN-PT 단결정을 압전 재료로 이용함으로써 PZT 압전 재료를 이용하는 가속도계보다 우수한 성능을 나타낸다. 그러나, 음향 벡터 센서등에서 이용될 경우에 2 개 이상의 가속도계가 포함되어야만 하며, 또한 상기 미국 특허에 개시된 음향 벡터 센서의 원통형 하우징 안에 설치하는 것이 용이하지 않다는 문제점이 있다.The accelerometer disclosed in the U.S. patent shows superior performance to an accelerometer using a PZT piezoelectric material by using a PMN-PT single crystal as a piezoelectric material. However, when used in an acoustic vector sensor or the like, two or more accelerometers must be included, and it is not easy to install the accelerometer in the cylindrical housing of the acoustic vector sensor disclosed in the U.S. patent.
본 발명의 목적은 벡터 하이드로폰에 적용되는 개선된 전단형 가속도 센서를 개발하는 것이다.It is an object of the present invention to develop an improved shear-type acceleration sensor applied to a vector hydrophone.
본 발명의 다른 목적은 PMN-PT 단결정을 이용한 가속도 센서를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an acceleration sensor using a PMN-PT single crystal.
본 발명의 다른 목적은 하나 이상의 방향에서 가속도를 검출할 수 있는 가속도 센서를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide an acceleration sensor capable of detecting an acceleration in at least one direction.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면,In order to achieve the above object, according to the present invention,
디스크 형상의 베이스;Disk shaped base;
상기 베이스의 제 1 표면에 부착된 제 1 압전체;A first piezoelectric member attached to a first surface of the base;
상기 제 1 압전체에 부착된 제 1 질량체;A first mass attached to the first piezoelectric body;
상기 베이스의 제 1 표면의 반대편에 해당하는 제 2 표면에 부착된 제 2 압전체; 및,A second piezoelectric attached to a second surface opposite to the first surface of the base; And
상기 제 2 압전체에 부착된 제 2 질량체;를 포함하며, And a second mass attached to the second piezoelectric body,
상기 제 1 압전체의 중심 및 상기 제 2 압전체의 중심이 상기 베이스의 중심과 일치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 가속도 센서가 제공된다. And the center of the first piezoelectric body and the center of the second piezoelectric body coincide with the center of the base.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 제 1 압전체의 최대 압전 응답이 얻어지는 방향과 상기 제 2 압전체의 최대 압전 응답이 얻어지는 방향이 서로 직각이도록 상기 제 1 압전체 및 상기 제 2 압전체가 상기 베이스에 부착된다.According to an aspect of the present invention, the first piezoelectric body and the second piezoelectric body are attached to the base such that the direction in which the maximum piezoelectric response of the first piezoelectric body is obtained and the direction in which the maximum piezoelectric response of the second piezoelectric body is obtained is perpendicular to each other .
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 베이스에는 베이스의 중심에 대칭적으로 배치된 구멍들이 형성된다.According to another feature of the invention, the base is formed with holes symmetrically disposed in the center of the base.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 구멍들은 상기 하나 이상의 제 1 압전체 및 하나 이상의 제 2 압전체와 상호 간섭하지 않도록 배치된다. According to another aspect of the present invention, the holes are arranged so as not to interfere with the at least one first piezoelectric substance and the at least one second piezoelectric substance.
또한 본 발명에 따르면, 상기 가속도 센서를 수용하는 알루미늄 튜브를 포함한다.Further, according to the present invention, an aluminum tube accommodating the acceleration sensor is included.
또한 본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 가속도센서는 상기 튜브와 결합되어 하이드로폰 내측에 수용된다.According to another aspect of the present invention, the acceleration sensor is accommodated inside the hydrophone in combination with the tube.
본 발명에 따른 전단형 가속도 센서는 PMN-PT 단결정을 압전체 재료로 이용함으로써 감지 성능이 향상될 수 있다. 또한 단순한 구조를 가지므로 제작이 용이하고 취급이 간편하다.The shear-type acceleration sensor according to the present invention can improve the sensing performance by using a PMN-PT single crystal as a piezoelectric material. Also, since it has a simple structure, it is easy to manufacture and easy to handle.
도 1 은 본 발명에 따른 전단형 가속도 센서의 일 실시예에 대한 분해 사시도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 전단형 가속도 센서를 구비한 튜브의 일부에 대한 분해 사시도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 전단형 가속도센서의 개략적인 단면도이다.1 is an exploded perspective view of a shear-type acceleration sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is an exploded perspective view of a portion of a tube having a shear-type acceleration sensor according to the present invention.
3 is a schematic cross-sectional view of a shear-type acceleration sensor according to the present invention.
도 1 은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 가속도 센서의 개략적인 분해 사시도이다. 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 가속도 센서는, 디스크형 베이스(10); 상기 디스크형 베이스(10)의 제 1 표면(10a)에 부착된 제 1 PMN-PT 압전체(11); 상기 제 1 PMN-PT 압전체(11)에 부착된 제 1 질량체(12); 상기 디스크형 베이스(10)의 제 1 표면(10a)의 반대편에 해당하는 제 2 표면(10b)에 부착된 하나 이상의 제 2 PMN-PT 압전체(13); 상기 하나 이상의 제 2 PMT-PT 압전체(13)에 부착된 제 2 질량체(14);를 구비한다.1 is a schematic exploded perspective view of an acceleration sensor according to a preferred embodiment of the present invention. Referring to the drawings, an acceleration sensor according to the present invention includes a disk-
디스크형 베이스(10)는 도면에 도시된 바와 같이 두께가 얇은 원형의 플레이트로서 형성되며, 하나 이상의 구멍(10c)이 형성되는 것이 바람직스럽다. 도면에 도시된 예에서 4 개의 구멍(10c)들이 디스크형 베이스(10)의 중심에 대하여 대칭적으로 형성되어 있다. 4 개의 구멍(10c)들 각각은 상기 디스크형 베이스(10)에 부착되는 상기 제 1 PMN-PT 압전체(11) 및 상기 제 2 PMN-PT 압전체(12)와 간섭되지 않게 형성되는 것이 바람직스럽다. 즉, 구멍(10c)들이 PMN-PT 압전체(12)에 의해서 막히지 않도록 형성되는 것이 바람직스럽다. 구멍(10c)들은 상기 제 1 PMN-PT 압전체(11) 및 제 2 PMN-PT 압전체(12)의 전극에 연결되는 전선 케이블의 통과 구멍으로서의 역할을 하고, 동시에 디스크형 베이스(10)의 중량을 감소시키는 역할을 한다. 디스크형 베이스(10)는 예를 들어 직경이 약 20 mm 이고, 두께가 약 2 mm 이며, 중량이 약 4 g 인 것이 바람직스럽다. 디스크형 베이스(10)는 일반적인 SUS 재료로 제작될 수 있다.The disk-
제 1 PMN-PT 압전체(11) 및 제 2 PMN-PT 압전체(13)는 PMN-PT 압전 단결정으로 형성된다. 제 1 PMN-PT 압전체(11) 및 제 1 PMN-PT 압전체(13)는 각각 하나의 부재로서 구비될 수 있으며, 베이스(10)의 중심과 PMN-PT 압전체(11,13)의 중심이 일치되게 부착된다. 이때 베이스(10)에 형성된 구멍과 PMN-PT 압전체(11,13)가 서로 간섭하지 않는 것이 바람직스럽다. 각각의 PMN-PT 압전체는 예를 들어 소정 길이(L1), 폭(W1), 및 두께(T1)를 갖는 직육면체 형상인 것이 바람직스럽다.The first PMN-PT
상기 제 1 PMN-PT 압전체(11) 및 제 2 PMN-PT 압전체(13) 각각은 제 1 방향에서 최대의 압전 응답을 발생시키는 반면에, 상기 제 1 방향에 직각인 제 2 방향 및 제 3 방향에서 최소의 압전 응답을 발생시키도록 특정의 방위(orientation)로 절단된다. 따라서 제 1 PMN-PT 압전체(11) 및 제 2 PMN-PT 압전체(13)가 모두 동일한 형상을 가지면서 동일한 방위를 가진다면, 제 1 PMN-PT 압전체(11) 및 제 2 PMN-PT 압전체(13)를 서로 직각으로 배치함으로써, 제 1 PMN-PT 압전체(11)가 최대의 압전 응답을 발생시키는 방향과 제 2 PMN-PT 압전체(13)가 최대의 압전 응답을 발생시키는 방향이 서로 직각으로 배치될 수 있다. 예를 들어, X-Y-Z 좌표계에서 제 1 PMN-PT 압전체(11)는 Z 방향에서의 압전 응답이 최대가 되는 반면에, X 및 Y 방향에서는 압전 응답이 최소가 된다. 또한 제 2 PMN-PT 압전체(13)는 Y 방향에서의 압전 응답이 최대가 되는 반면에, X 및 Z 방향에서의 압전 응답은 최소가 된다. 통상적으로, 최대 압전 응답은 최소 압전 응답의 2 배인 것으로 측정되며, 이러한 차이를 이용하여 음파의 방향을 탐지할 수 있다.Each of the first PMN-PT
제 1 질량체(12)는 제 1 PMN-PT 압전체(11)에 부착됨으로써, 제 1 PMN-PT 압전체(11)가 베이스(10)와 제 1 질량체(12) 사이에 배치된다. 마찬가지로, 제 2 질량체(14)는 제 2 PMN-PT 압전체(13)에 부착됨으로써, 제 2 PMN-PT 압전체(13)가 베이스(10)와 제 2 질량체(14) 사이에 배치된다. 제 1 질량체(12) 및 제 2 질량체(14) 각각은 소정 길이(L2), 폭(W2), 그리고 두께(T2)를 갖는 직육면체로 구성되는 것이 바람직스럽다. 제 1 질량체(12) 및 제 2 질량체(14)는 일반적인 SUS 재료로 제작될 수 있다.The first
디스크형 베이스(10), 제 1 PMN-PT 압전체(11), 제 1 질량체(12), 제 1 PMN-PT 압전체(13) 및 제 2 질량체(14)의 접합은 접착제를 이용하여 이루어질 수 있다. The bonding of the disk-
압전체에 대한 전기적인 연결은 압전체 양쪽 표면에 도전성 전극을 코팅함으로써 이루어진다. 즉, 제 1 PMN-PT 압전체(11)가 제 1 질량체(12) 및 디스크형 베이스(10)와 접촉하는 양쪽 표면에 전극을 코팅하고, 마찬가지로 제 2 PMN-PT 압전체(13)가 제 2 질량체(14) 및 디스크형 베이스(10)와 접촉하는 양쪽 표면에 전극을 코팅한다. 와이어(미도시)는 제 1 질량체(12), 제 2 질량체(14) 및 디스크형 베이스(10)에 실버 페이스트를 이용하여 연결되며, + 신호는 각각의 질량체에서 수신되고, - 신호는 디스크형 베이스(10)로부터 공통으로 수신될 수 있다.Electrical connection to the piezoelectric body is achieved by coating conductive electrodes on both surfaces of the piezoelectric body. That is, both surfaces of the first PMN-
도 2 및 도 3 에는 도 1 에 도시된 가속도 센서의 개략적인 구조가 분해 사시도 및 단면도로서 도시되어 있다.Figs. 2 and 3 show a schematic structure of the acceleration sensor shown in Fig. 1 as an exploded perspective view and a cross-sectional view.
도 2 를 참조하면, 본 발명에 따른 가속도 센서(1)는 도 1 을 참조하여 설명된 바와 같이 디스크형 베이스(10)의 제 1 표면에 제 1 PMN-PT 압전체(11) 및 질량체를 포함하고, 도면에 도시되지 않은 제 2 표면에 제 2 PMN-PT 압전체 및 질량체를 포함한다. 상기와 같이 구성된 가속도 센서(1)는 실린더형 알루미늄 튜브(21) 안에 삽입된다. 실린더형 알루미늄 튜브(21)의 내측면 직경은 디스크형 베이스(10)의 직경에 대응한다.2, the
도면에 도시된 예에서, 가속도 센서(1)는 알루미늄 튜브(21) 안에 억지 끼움 방식으로 설치된다. 그러나, 도면에 도시되지 않은 다른 예에서 2 개의 알루미늄 튜브(21)의 대향하는 단부 사이에 가속도 센서(1)를 배치하고 2 개의 알루미늄 튜브를 맞대기 용접과 같은 방식으로 접합함으로써 알루미늄 튜브 안에 가속도 센서를 배치할 수 있다.In the example shown in the figure, the
도 3 을 참조하면, 실린더형 알루미늄 튜브(21)의 내측면에 가속도 센서(1)의 베이스(10)가 고정되어 있다.Referring to FIG. 3, the
위와 같이 구성에서 강체인 알루미늄 튜브(21)에 힘이 가해지면 2 개의 압전체는 베이스(10)와 질량체(12,14) 사이에서 가압됨으로써 서로 상이한 압전 응답 신호를 출력한다. 따라서 상이한 압전 응답 신호를 해석함으로써 힘의 방향을 감지할 수 있다.When a force is applied to the
1. 가속도 센서 10. 베이스
11. 제 1 PMN-PT 압전체 12. 제 1 질량체
13. 제 2 PMN-PT 압전체 14. 제 2 질량체
21. 알루미늄 튜브1.
11. First PMN-
13. Second PMN-
21. Aluminum tubes
Claims (5)
상기 베이스의 제 1 표면에 부착된 제 1 압전체;
상기 제 1 압전체에 부착된 제 1 질량체;
상기 베이스의 제 1 표면의 반대편에 해당하는 제 2 표면에 부착된 제 2 압전체; 및,
상기 제 2 압전체에 부착된 제 2 질량체;를 포함하며,
상기 제 1 압전체의 중심 및 상기 제 2 압전체의 중심이 상기 베이스의 중심과 일치하도록 배치되고,
상기 베이스에는 베이스의 중심에 대칭적으로 배치된 구멍들이 형성되는 것을 특징으로 하는 가속도 센서.Disk shaped base;
A first piezoelectric member attached to a first surface of the base;
A first mass attached to the first piezoelectric body;
A second piezoelectric attached to a second surface opposite to the first surface of the base; And
And a second mass attached to the second piezoelectric body,
The center of the first piezoelectric body and the center of the second piezoelectric body coincide with the center of the base,
Wherein the base is formed with holes symmetrically disposed in the center of the base.
상기 제 1 압전체의 최대 압전 응답이 얻어지는 방향과 상기 제 2 압전체의 최대 압전 응답이 얻어지는 방향이 서로 직각이도록 상기 제 1 압전체 및 상기 제 2 압전체가 상기 베이스에 부착되는 것을 특징으로 하는 가속도 센서.The method according to claim 1,
Wherein the first piezoelectric body and the second piezoelectric body are attached to the base such that the direction in which the maximum piezoelectric response of the first piezoelectric body is obtained and the direction in which the maximum piezoelectric response of the second piezoelectric body is obtained are orthogonal to each other.
상기 구멍들은 상기 제 1 압전체 및 상기 제 2 압전체와 상호 간섭하지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는 가속도 센서.The method according to claim 1,
And the holes are arranged so as not to interfere with the first piezoelectric body and the second piezoelectric body.
상기 가속도 센서는 알루미늄 튜브를 포함하며, 알루미늄 튜브 안에 수용되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 가속도 센서.The method according to claim 1,
Wherein the acceleration sensor comprises an aluminum tube and has a structure accommodated in an aluminum tube.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020140147841A KR101608153B1 (en) | 2014-10-29 | 2014-10-29 | Acceleration Sensor for Vector Hydrophone |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1020140147841A KR101608153B1 (en) | 2014-10-29 | 2014-10-29 | Acceleration Sensor for Vector Hydrophone |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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KR101608153B1 true KR101608153B1 (en) | 2016-03-31 |
Family
ID=55652321
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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KR1020140147841A KR101608153B1 (en) | 2014-10-29 | 2014-10-29 | Acceleration Sensor for Vector Hydrophone |
Country Status (1)
Country | Link |
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KR (1) | KR101608153B1 (en) |
-
2014
- 2014-10-29 KR KR1020140147841A patent/KR101608153B1/en active IP Right Grant
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