KR101823778B1 - 압전단결정 링형 압전체 및 이를 이용한 압전단결정 링형 트랜스듀서 - Google Patents

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조치영
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Abstract

본 발명은 압전단결정 소자의 변위방향과 동일한 방향으로 분극처리된 압전단결정을 이용한 수중음향 링형 트랜스듀서에 관한 것으로서, 특히 복수개의 압전단결정 소자를 링 형태로 구성한 링형 압전체로 링형 트랜스듀서를 구성하여, 기존 압전세라믹소재로 링형 트랜스듀서를 구성한 경우보다 동일한 주파수대역에서 높은 출력을 내면서도, 소형화, 경량화 설계가 가능한 트랜스듀서에 관한 것이다.

Description

압전단결정 링형 압전체 및 이를 이용한 압전단결정 링형 트랜스듀서 {PIEZOELECTRIC SINGLE CRYSTAL RING TYPE PIEZOELECTRIC BODY AND RING TYPE TRANSDUCER USING THE SAME}
본 발명은 압전단결정 소자의 변위방향과 동일한 방향으로 분극처리된 압전단결정을 이용한 수중음향 링형 트랜스듀서에 관한 것으로서, 특히 복수개의 압전단결정 소자를 링 형태로 구성한 링형 압전체로 링형 트랜스듀서를 구성하여, 기존 압전세라믹소재로 링형 트랜스듀서를 구성한 경우보다 동일한 주파수대역에서 높은 출력을 내면서도, 소형화, 경량화 설계가 가능한 트랜스듀서에 관한 것이다.
수중에 있는 표적을 탐지할 때는 음파를 이용하는 소나(SONAR: Sound Navigation And Ranging)를 사용한다. 수중의 잠수함을 탐지하기 위해서도 소나가 사용되고 있으며, 잠수함을 탐지하기 위해 함정 등에 부착된 소나에서 발생된 음향 신호가 표적에 의해 반사된 반사신호로부터 잠수함 표적을 탐지하게 되고, 어뢰에 설치된 소나를 사용하여 표적의 위치를 최종 탐신한 후 공격하게 되므로, 잠수함은 적함의 소나에 탐지되지 않아야만 안전을 도모할 수 있다.
이에 따라 잠수함을 적의 공격으로부터 보호하기 위한 다양한 수단이 개발되고 있으며, 아군의 수상함이나 잠수함을 적의 어뢰 공격으로부터 방어하기 위한 수단으로 음향대항 기만기체계가 널리 사용되고 있다. 표적이 된 잠수함의 반사신호를 모사한 기만신호를 발생하는 수중물체를 발사하여 항주 하도록 함으로써 함 소나 또는 어뢰의 소나를 기만하게 된다. 물론 표적이 된 잠수함은 탐지 위치로부터 빠르게 회피기동을 한 후 무음항주 또는 무음잠항을 통해 적 어뢰에 의해 탐지되지 않아야 한다.
즉 함소나에서 사용하는 주파수를 포함하는 저주파 대역 또는 어뢰로부터 방사되는 고주파 대역의 음파를 잠수함으로부터 멀리 떨어진 곳에 기만기를 발사하여 고출력의 광대역의 음파를 수중에서 방사하여 어뢰를 기만시켜서 적 어뢰의 공격을 무력화시키게 되므로 충분한 기만 신호의 발생을 위하여 고출력 특성이 요구된다.
기존의 기만기용 음향센서는 압전세라믹 소재를 이용하여 공진주파수가 다른 여러개의 링형 압전체를 사용하여 광대역 성능을 구현하고 있다. 따라서 주파수 대역이 넓어질수록 사용되는 링형 압전체의 개수가 증가하여 무게와 부피가 커지게 되며 특히 저주파 대역으로 갈수록 링형 압전체의 크기가 주파수에 반비례하여 커지게 된다. 따라서 기만기용 음향센서의 크기와 무게가 증가하여 수중에서 운용 가능한 음향센서의 설치에 제한되는 문제점들이 있다.
대한민국 등록특허 제 10-0517059호 (2005.09.26)
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 광대역의 공진특성을 갖고, 소형화, 경량화 설계가 가능하도록, 높은 출력의 수중 음향 트랜스듀서를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전단결정 링형 압전체(100)는 링 형태로 연결된 복수개의 압전단결정소자(110); 상기 링의 외주면을 따라 형성되어 압축응력을 가해주는 와이어(120);를 포함할 수 있다.
상기 압전단결정 링형 압전체(110)의 외주면과 상기 와이어(120) 사이에는 응고제가 더 포함될 수 있다.
상기 압전단결정소자(110)는 33모드형 압전 단결정소자인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 복수개의 압전단결정소자(110) 사이는 복수개의 전극판이 더 설치된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전단결정 링형 트랜스듀서는, 전기적신호에 의해 진동되어 반경방향으로 음향이 발행하는 하나 이상의 압전단결정 링형 압전체(100); 상기 압전단결정 링형 압전체(100)의 반경방향 내측에 형성되고 상기 링형 압전체(100)가 장착되는 장착대(200); 상기 장착대(200)를 지지하는 지지구조물(300); 상기 압전단결정 링형 트랜스듀서의 내부 수밀을 위해 상기 지지구조물(300)에 밀착되어 구비되는 음향 윈도우(400)를 포함 할 수 있다.
상기 압전단결정 링형 압전체(100)는 링 형태로 연결된 복수개의 압전단결정소자(110);
상기 링의 외주면을 따라 형성되어 압축응력을 가해주는 와이어(120);를 포함하여 이루어진 링형 압전체(100)일 수 있다.
상기 압전단결정 링형 압전체(100)의 외주면과 상기 와이어(120) 사이에는 응고제가 더 포함될 수 있다.
상기 압전단결정소자(110)는 33모드형 압전단결정소자(110)인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 각각의 압전단결정소자(110) 사이에는 복수개의 전극판이 더 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 압전단결정 링형 압전체(100)와 상기 장착대(200)사이에 방열패드(250)가 더 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 압전단결정 링형 압전체(100)의 상면 및 하면에는 각각 진동 절연층(500)이 더 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 음향 윈도우(400)는 폴리우레탄재질로 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 압전단결정 링형 트랜스듀서는 헤드매스(450)를 더 포함하고, 상기
헤드매스(450)는 볼트(350)에 의해 상기 장착대(200)의 상단부에 고정됨으로써, 상기 장착대(200)에 장착된 상기 압전단결정 링형 압전체(100)는 상기 헤드매스(450)와 상기 지지구조물(200) 사이에서 고정지지되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압전단결정 링형 트랜스 듀서는 압전단결정 소자의 변위방향과 동일한 방향으로 분극처리된 복수개의 압전단결정 소자를 링 형태로 구성한 링형 압전체를 이용하여 링형 트랜스듀서를 구성함으로써, 압전세라믹으로 링형 트랜스듀서를 구성하는 경우보다 광대역의 공진특성을 갖는 효과가 있다.
또한, 압전세라믹으로 링형 트랜스듀서를 구성하는 경우에 비해 동일한 주파수대역에서 높은 출력을 갖는 효과가 있다.
또한, 압전세라믹을 적층하여 링형 트랜스듀서를 구성하는 경우에 비해 소형화, 경량화 설계가 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전단결정 링형 트랜스듀서의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전단결정 링형 압전체의 정면도 및 평면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전단결정 링형 압전체를 종래 기술의 압전세라믹 링형 압전체와 비교한 개략도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전단결정 링형 트랜스듀서와 종래 기술의 압전세라믹 링형 트랜스듀서를 비교한 그래프이다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전단결정 링형 압전체(100)는 압전단결정 소자의 변위 방향과 분극 방향이 동일한 33모드로 구동되는 복수개의 압전 단결정소자(110) 및 이를 감싸는 와이어(120)로 구성된다.
각 압전 단결정소자(110) 사이에는 전극판(미도시)이 삽입되어 직렬 또는 병렬, 직/병렬 혼합으로 연결될 수 있으며, 전기가 가해짐에 따라, 상기 각 압전 단결정소자(110)는 상기 링의 접선방향으로 변위가 발생하게 되고 상기 각 압전단결정소자(110)에서 발생한 변위에 의해 상기 압전단결정 링형 압전체(100)가 반경방향으로 운동을 하게 되어, 매질인 물에서 압력변화가 생겨 음파를 발생하게 된다.
복수개의 압전단결정 소자(110)로 연결된 압전단결정 링형 압전체(100)는 인장응력이 가해지는 환경에서 불안정하기 때문에 전압을 인가해서 압전단결정 소자(110)의 변위방향으로 발생하는 최대응력보다 높은 일정 압축응력을 압전단결정 링형 압전체(100)에 가해주어야 한다. 이를 위해 상기 압전단결정 링형 압전체(100)에 전응력을 인가할 수 있는 와이어(120)로 상기 압전단결정 링형 압전체(100)의 외주면을 따라 감싸게 된다. 또한, 상기 압전단결정 링형 압전체(100)의 외주면과 상기 와이어(120)사이에는 응고제(미도시)가 도포되어 있어 일정 시간동안 굳어 압전단결정 소자(110)에 전응력을 가해줌으로서 손상을 방지할 수 있다. 이때 상기 응고제(미도시)는 상기 와이어(120)에 도포된 상태에서 상기 와이어(120)가 상기 압전단결정 링형 압전체(100)의 외주면을 감싸는 방식으로 상기 압전단결정 링형 압전체(100)의 외주면에 도포될 수도 있고, 상기 압전단결정 링형 압전체(100)의 외주면에 도포된 상태에서 상기 링형 와이어(120)가 감싸는 방식으로 형성될 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전단결정 링형 트랜스듀서는 상기 압전단결정 링형 압전체(100)와 이를 장착할 장착대(200), 상기 장착대(200)를 지지하는 지지구조물(300) 및 상기 링형 트랜스듀서 내부의 수밀을 위한 음향 윈도우(400)로 구성된다.
상기 압전단결정 링형 압전체(100)의 반경방향 내측으로 상기 장착대(200)가 형성되고, 상기 압전단결정 링형 압전체(100)가 장착된다. 상기 장착대(200)의 내부로는 전선이 지나갈 수 있다. 또한, 전기적 신호에 의해 상기 압전단결정 링형 압전체(100)가 진동함에 따라 상기 압전단결정 링형 압전체(100)에서 발생되는 열을 외부로 방출하기 위해 상기 장착대(200)와 상기 압전단결정 링형 압전체(100) 사이에 방열패드(250)가 형성 된다.
상기 압전단결정 링형 압전체(100)는 적어도 하나 이상이 상기 장착대(200)에 길이방향 상하로 장착될 수 있다. 상기 압전단결정 링형 압전체(100)의 거동에 영향을 받지않고 독립적으로 운동하기 위해 상기 압전단결정 링형 압전체(100)가 상기 장착대(200)에 장착된 상태에서 길이 방향 상면과, 길이방향 하면에는 진동 절연층(500)이 형성 될 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 절연층(500)의 길이방향 상하로는 더미 링(600)이 상기 장착대(200)에 장착될 수 있으나, 상기 더미링(600) 대신 하나 이상의 상기 압전단결정 링형 압전체(100)가 장착될 수 있다. 이때도 상기 전기적 신호에 의해 상기 압전단결정 링형 압전체(100)가 진동함에 따라 상기 압전단결정 링형 압전체(100)에서 발생되는 열을 외부로 방출하기 위해 상기 장착대(200)와 상기 압전단결정 링형 압전체(100) 사이에 방열패드(250)가 형성 된다. 만약 상기 더미링(600)이 장착된 경우에도 상기 더미링(600)의 길이방향 상면과 길이방향 하면에는 진동 절연층(500)이 형성 될 수 있다.
상기 장착대(200)는 길이방향 일측 단부가 상기 지지구조물(300)에 볼트(350)로 고정되며, 상기 링형 트랜스듀서 내부를 수밀하고, 외부 충격으로부터 보호하기 위해 상기 음향 윈도우(400)의 개구부가 상기 지지구조물(300)에 밀착되어 수밀 될 수 있다. 이때 상기 링형 트랜스듀서에 전압이 인가되면, 상기 압전단결정 링형 압전체(100)는 진동이 발생하므로, 상기 압전단결정 링형 압전체(100)가 상기 장착대(200)에 장착된 상태에서 위치 고정을 위해, 상기 음향 윈도우(400)내부에 형성되어고 상기 장착대(200)의 축방향 타측 단부에 볼트로(350) 체결되어 상기 압전단결정 링형 압전체(100)의 위치를 고정시키는 헤드매스(450)를 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 헤드매스(550)가 상기 장착대(200)의 타측 단부에 볼트(350)로 고정됨으로써, 상기 장착대(200)에 장착된 상기 압전단결정 링형 압전체(100)는 상기 헤드매스(450)와 상기 지지구조물(300) 사이에서 압축지지력을 받아 위치가 고정지지 될 수 있다.
상기 음향 윈도우(400)의 재질은 물과 유사하고, 음파의 음향투과손실을 최소화하며, 깊은 수심에서 견딜 수 있도록 폴리우레탄 진공 몰딩으로 형성되는 것이 바람직하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전단결정을 이용한 링형 압전체의(100) 경우, 종래 압전세라믹을 이용한 링형 압전체에 비해 중량은 2.1배 경량화가 가능하며, 외경은 1.7배 소형화가 가능하다.
또한, 도 4c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전단결정소자로 구성된 압전단결정 링형 트랜스듀서가 종래 압전세라믹으로 구성된 링형 트랜스듀서보다 송신감도가 훨씬 높은 것을 확인할 수 있으며 이는 같은 공진주파수 대역에서 사용할 때 높은 출력을 가질 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한 도 4a 내지 도 4b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전단결정소자로 구성된 압전단결정 링형 트랜스듀서가 종래 압전세라믹으로 구성된 링형 트랜스듀서보다 효율이 높으며 또한 밴드폭이 넓다는 것을 알수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전단결정소자 구성된 링형 트랜스듀서가 압전세라믹으로 구성된 링형 트랜스듀서보다 밴드폭이 넓으므로 광대역으로 송신이 가능하게 된다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전단결정소자로 구성된 링형 트랜스듀서는 종래의 압전세라믹으로 구성된 링형 트랜스듀서보다 동일한 주파수대역에서 높은 출력과 넓은 밴드폭을 가지면서 소형화, 경량화, 광대역 설계가 가능한 효과가 있다.
앞서 살펴본 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 (이하 '당업자'라 한다)가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시 예 일 뿐, 전술한 실시 예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경 가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.
100 ; 압전단결정 링형 압전체
110 : 압전단결정소자
120 : 와이어
200 : 장착대
250 : 방열패드
300 : 지지구조물
350 : 볼트
400 : 음향 윈도우
450 : 헤드매스
500 : 진동 절연층
600 : 더미링

Claims (13)

  1. 압전단결정으로 구성된 링형 압전체에 있어서,
    링 형태로 연결된 복수개의 압전단결정소자;
    상기 링의 외주면을 따라 형성되어 상기 링형 압전체에 압축응력을 가해주는 와이어;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전단결정 링형 압전체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압전단결정 링형 압전체의 외주면과 상기 와이어 사이에는 응고제가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 압전단결정 링형 압전체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압전단결정소자는 33모드형 압전 단결정소자인 것을 특징으로 하는 압전단결정 링형 압전체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 압전단결정소자 사이는 복수개의 전극판이 더 설치된 것을 특징으로 하는 압전단결정 링형 압전체.
  5. 삭제
  6. 링형 트랜스듀서에 있어서,
    전기적신호에 의해 진동되어 반경방향으로 음향이 발생하는 하나 이상의 압전단결정 링형 압전체;
    상기 압전단결정 링형 압전체의 반경방향 내측에 형성되어 상기 압전단결정 링형 압전체가 장착되는 장착대;
    상기 장착대를 지지하는 지지구조물; 및
    상기 링형 트랜스듀서의 내부 수밀을 위해 상기 지지구조물에 밀착되어 구비되는 음향 윈도우를 포함하고,
    상기 압전단결정 링형 압전체는 링 형태로 연결된 복수개의 압전단결정소자;
    상기 링의 외주면을 따라 형성되어 상기 압전단결정 링형 압전체에 압축응력을 가해주는 와이어;를 포함하여 이루어진 압전단결정 링형 압전체인 것을 특징으로 하는 압전단결정 링형 트랜스듀서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 압전단결정 링형 압전체의 외주면과 상기 와이어 사이에는 응고제가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 압전단결정 링형 트랜스듀서.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 압전단결정소자는 33모드형 압전단결정소자인 것을 특징으로 하는 압전단결정 링형 트랜스듀서.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 각각의 압전단결정소자 사이에는 복수개의 전극판이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 압전단결정 링형 트랜스듀서.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 압전단결정 링형 압전체와 상기 장착대사이에 방열패드가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 압전단결정 링형 트랜스듀서.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 압전단결정 링형 압전체의 상면 및 하면에는 진동 절연층이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 압전단결정 링형 트랜스듀서.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 음향 윈도우는 폴리우레탄재질로 형성된 것을 특징으로 하는 압전단결정 링형 트랜스듀서.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 압전단결정 링형 트랜스듀서는 헤드매스를 더 포함하고, 상기
    헤드매스는 볼트에 의해 상기 장착대의 상단부에 고정됨으로써, 상기 장착대에 장착된 상기 압전단결정 링형 압전체는 상기 헤드매스와 상기 지지구조물 사이에서 고정지지되는 것을 특징으로 하는 압전단결정 링형 트랜스듀서.




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