KR102427688B1 - 초소형 저주파수 선 배열 소나용 능동 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초소형 저주파수 선 배열 소나용 능동 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저주파수 대역을 구현하는 동시네 크기 및 무게를 보다 작게 할 수 있는 초소형 저주파수 선 배열 소나용 능동 센서에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 선 배열 소나용 능동 센서에 있어서, 하우징 및 단결정인 압전체를 포함하고, 상기 하우징의 내측에 구비되는 진동체를 포함한다.

Description

초소형 저주파수 선 배열 소나용 능동 센서{ACTIVE SENSOR FOR ULTRA-COMPACT LOW FREQUENCY LINE ARRAY SONAR}

본 발명은 초소형 저주파수 선 배열 소나용 능동 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저주파수 대역을 구현하는 동시에 크기 및 무게를 보다 작게 할 수 있는 초소형 저주파수 선 배열 소나용 능동 센서에 관한 것이다.

기존에는 수중에서 잠수함 등의 표적을 장거리에서 탐지하기 위해 잠수함에서 발생하는 소음을 탐지하는 수동 선배열 소나를 많이 이용하였다. 그러나 잠수함의 스텔스화 기술 발전으로 인해 탐지능력이 저하되어 저주파수 능동 탐신음을 방사하여 표적으로부터 반사되는 음파를 탐지하는 능동 선배열 소나를 선호하는 추세이다.

도 1을 참조하면, 종래의 선 배열 소나용 센서(S`)(Barrel Flextensional 구조)는 PZT 압전체(2`)(예시적으로 링형)를 길이 방향으로 스택 하고 이를 병렬 연결하여 사용하였다.

이러한 바렐(Barrel)형은 구조안정성 및 고전압구동성 등의 강점이 있으나 주파수와 크기가 반비례여 저주파수 대역을 구현하기 위해 필연적으로 크기(길이, 직경 등)가 커지고 무게가 증가하여 구현 가능한 주파수대역에 한계가 있다는 문제점이 있었다.

최근에는 바렐(Barrel)형의 한계를 극복하기 위해 밴더(Bender)형 소나를 사용하고 있지만 이 역시 저주파 구현 시 직경이 커지는 문제로 2kHz 이하의 저주파 구현이 어려웠다.

본원의 배경이 되는 기술은 한국공개특허공보 제10-2012-0108823호에 개시되어 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 저주파수 대역을 구현하는 동시에 크기 및 무게를 보다 작게 할 수 있는 초소형 저주파수 선 배열 소나용 능동 센서의 제공을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 고전압 구동성을 향상시킬 수 있는 초소형 저주파수 선 배열 소나용 능동 센서의 제공을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 생산성이 향상되고, 보다 경제적인 초소형 저주파수 선 배열 소나용 능동 센서의 제공을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 수중폭발 충격에 보다 효과적으로 견딜 수 있는 초소형 저주파수 선 배열 소나용 능동 센서의 제공을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 압전체의 파괴를 억제할 수 있는 초소형 저주파수 선 배열 소나용 능동 센서의 제공을 목적으로 한다.

상기 과제의 해결을 목적으로 하는 본 발명은 다음의 구성 및 특징을 갖는다.

선 배열 소나용 능동 센서에 있어서, 하우징 및 단결정인 압전체를 포함하고, 상기 하우징의 내측에 구비되는 진동체를 포함한다.

또한 상기 압전체는 결정의 성장 방향과 분극 방향이 상호 수직일 수 있다.

또한 상기 압전체는 직육면체일 수 있다.

또한 상기 진동체는 상기 압전체를 다수 포함하되, 다수의 압전체는 수평 방향을 따라 포개어지고, 수평 방향을 따라 이웃하는 압전체의 분극 방향은 상호 반대일 수 있다.

또한 상기 진동체는 포개진 다수의 압전체를 감싸는 필라멘트를 포함할 수 있다.

또한 상기 진동체는 상기 하우징의 내측에서 상하 방향을 따라 다수 구비되고, 상하 방향을 따라 이웃하는 진동체 사이에 배치되는 중간판을 더 포함하되, 상기 중간판은 상면에 상기 중간판보다 상측에 배치되는 진동체와 결합되는 상부자리파기홈 및, 하면에 상기 중간판보다 하측에 배치되는 진동체와 결합되는 하부자리파기홈을 포함할 수 있다.

또한 상기 진동체는 상기 중간판의 둘레를 따라 다수 배치될 수 있다.

또한 상기 하우징은 내부에 상기 진동체가 관통되는 중공이 형성된 진동관체, 상기 진동관체의 상측 개구를 덮는 상부지지판, 상기 진동관체의 하측 개구를 덮는 하부지지판, 상기 중간판의 상부에 배치되는 진동체와 상기 상부지지판 사이에 배치되는 상부절연판 및, 상기 중간판의 하부에 배치되는 진동체와 상기 하부지지판 사이에 배치되는 하부절연판을 포함할 수 있다.

또한 상기 하우징의 상부와 하부를 관통하는 장력볼트를 포함할 수 있다.

또한 상기 압전체는 전응력(Pre-Stress)이 가해질 수 있다.

상기 구성 및 특징을 갖는 본 발명은 단결정인 압전체를 포함함으로써, 저주파수 대역을 구현하는 동시에 크기 및 무게를 줄일 수 있다는 효과를 갖는다.

또한 본 발명은 항전계 특성이 우수한 [011] 방향의 단결정을 사용하여 소나용 센서의 초소형화 시에도 고전압 인가가 가능하도록 고전압 구동성을 향상시킬 수 있다는 효과를 갖는다.

또한 본 발명은 압전체가 직육면체로 형성되어, 압전체의 제조 원가가 감소된다는 효과를 갖는다.

또한 본 발명은 압전체를 감싸는 필라멘트를 포함함으로써, 수중폭발 충격으로부터 압전체를 보다 효과적으로 보호할 수 있다는 효과를 갖는다.

또한 본 발명은 압전체에 전응력이 가해짐으로써, 압전체의 파괴를 억제할 수 있다는 효과를 갖는다.

도 1은 종래의 선 배열 소나용 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 저주파수 선 배열 소나용 능동 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 진동체를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 압전체의 생산 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 중간판을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 구현예(態樣, aspect)(또는 실시예)들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예(태양, 態樣, aspect)(또는 실시예)를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, ~포함하다~ 또는 ~이루어진다~ 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 명세서에서 기재한 ~제1~, ~제2~ 등은 서로 다른 구성 요소들임을 구분하기 위해서 지칭할 것일 뿐, 제조된 순서에 구애받지 않는 것이며, 발명의 상세한 설명과 청구범위에서 그 명칭이 일치하지 않을 수 있다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결" 또는 되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결" 되어 있는 경우도 포함한다.

도 1은 종래의 선 배열 소나용 센서를 설명하기 위한 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 저주파수 선 배열 소나용 능동 센서를 설명하기 위한 단면도이고, 도 3은 진동체를 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 저주파수 선 배열 소나용 능동 센서(S)를 설명의 편의상 '본 장치'라 칭하기로 한다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 장치(본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 저주파수 선 배열 소나용 능동 센서(S)(초소형 저주파수 선 배열 소나용 능동 프로젝터))는 하우징(1) 및 진동체(2)를 포함한다.

먼저, 진동체(2)는 단결정인 압전체(21)를 포함하고, 후술하는 하우징(1)의 내측에 구비된다. 단결정인 압전체(21)는 [011] 방향으로 성장(결정 성장)시킨 것을 사용하며 예시적으로 PIN-PMN 또는 PIN-PMN-PT를 적용할 수 있다.

본 장치는 압전체(21)에 전압을 가해 상하진동을 발생시키고 진동관체(11)에 의해 상하진동이 수평진동으로 변환되어 음파를 발생한다. 상기 음파가 검출 대상체(예시적으로 잠수함)를 탐지하기 위한 능동 음파가 된다.

본 장치는 종래의 선 배열 소나용 센서(S`)(소나용 프로젝터)(도 1 참조)의 링형 PZT 압전체(2`)보다 강성이 큰 패싯형(직육면체) 단결정 압전체(21)를 포함함으로써, 종래의 프로젝터(S`)와 비교하여 크기, 무게를 감소시켜 저주파수 대역의 구현이 가능하다는 이점이 있다.

도 4는 종래의 선 배열 소나용 센서와 초소형 저주파수 선 배열 소나용 능동 센서의 주파수 대비 송신감도를 나타낸 그래프이고, 아래 표 1은 종래의 선 배열 소나용 센서와 초소형 저주파수 선 배열 소나용 능동 센서의 크기, 무게, 송신감도를 비교하기 위한 것이다.

[표 1]

도 1 내지 도 4와 위 표 1을 참조하면, 종래의 선 배열 소나용 센서(S`)(도 4의 '바렐형(PZT)' 및 아래 표 1의 'PZT 바렐'에 해당)와 본 장치(도 4의 '바렐형(단결정)' 및 아래 표 1의 '단결정 바렐'에 해당)는 2kHz 이하인 500Hz 내지 1500hz의 저주파수 대역에서 송신감도(TVR)는 비슷한 동시에, 본 장치는 종래의 선 배열 소나용 센서(S`)보다 길이는 약 70% 감소되고, 직경은 약 76% 감소되고, 무게는 약 98% 감소된 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 장치는 종래의 선 배열 소나용 센서(S`)와 비교하여 저주파수 대역의 구현과 동시에 크기 및 무게를 대폭 감소시킬 수 있다는 이점이 있다.

도 4는 압전체의 생산 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 압전체(21)는 직육면체일 수 있다. 예시적으로 압전체(21)는 단결정으로 성장된 잉곳(21a)(도 도 4의 [A] 참조)을 단결정 웨이퍼(21b)로 가공(도 도 4의 [B] 및 [C] 참조)하고, 이후에 단결정 웨이퍼(21b)를 가공하여 단결정 패싯(21c)(Facet)으로 제조(도 4의 [D] 참조)하고, 상기 패싯(21c)을 분극화시켜 직육면체의 압전체(21)로 제조(도 4의 [E] 참조)될 수 있다.

이와 같이, 압전체(21)는 직육면체로 형성되어 웨이퍼(21b) 당 압전체(21)를 최대로 생산(도 4의 [D] 참조)할 수 있어 손실되는 부분을 최소화하여 양산 단가를 절감 하고 양산 안정성을 확보할 수 있다는 이점이 있다.

도 4를 참조하면, 압전체(21)는 결정의 성장 방향과 분극 방향이 상호 수직일 수 있다. 도 4의 [D]는 압전체(21)의 사시도로, 도 4 [D]의 압전체(21)를 정면에서 봤을 때 결정의 성장 방향(도 4의 A)은 상하 방향([011])일 수 있고, 분극 방향(//도 4의 B)은 정면에서 봤을 때 상기 결정의 성장 방향(도 4의 A)에 직교되는 방향인 수평 방향(좌우측 방향)일 수 있다. 이러한 항전계 특성이 우수한 [011] 방향을 사용하여 고전압 구동성을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 진동체(2)는 압전체(21)를 다수 포함하되, 다수의 압전체(21)는 수평 방향을 따라 포개어질 수 있다. 도 2 및 도 3은 각각 본 장치와 진동체(2)의 사시도로서, 상기 수평 방향은 도 2 및 도 3의 본 장치와 진동체(2)를 정면에서 봤을 때 좌우 방향을 나타내며, 수직 방향은 도 2 및 도 3의 본 장치와 진동체(2)를 정면에서 봤을 때 상하 방향을 의미할 수 있다. 이하의 설명에서 동일하게 적용하기로 한다.

이때 수평 방향을 따라 이웃하는 압전체(21)의 분극 방향은 상호 반대일 수 있다. 즉, 이웃하는 압전체(21)가 서로 인력이 발생하도록 하여 진동에너지를 증가 시킬 수 있다.

이때 진동체(2)는 포개진 다수의 압전체(21)를 감싸는 필라멘트(22)를 포함할 수 있다. 예시적으로 필라멘트(22) 포개진 다수의 압전체(21)가 형성하는 집단체의 측면을 감싸는 것일 수 있다.

이와 같이, 본 장치에서 진동체(2)는 포개진 다수의 압전체(21)를 감싸는 필라멘트(22)를 포함함으로써, 수중 폭발과 같은 큰 충격에 대하여 압전체(21)의 손상을 효과적으로 억제할 수 있다는 이점이 있다.

도 5는 중간판을 설명하기 위한 도면이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 상술하였듯이 진동체(2)는 하우징(1)의 내측에 구비된다고 하였는데, 본 장치의 진동체(2)는 하우징(1)의 내측에서 상하 방향을 따라 다수 구비될 수 있다.

이때 본 장치는 상하 방향을 따라 이웃하는 진동체(2) 사이에 배치되는 중간판(3)을 포함할 수 있는데, 상기 중간판(3)은 상면에 상기 중간판(3)보다 상측에 배치되는 진동체(2)와 결합되는 상부자리파기홈(31) 및, 하면에 상기 중간판(3)보다 하측에 배치되는 진동체(2)와 결합되는 하부자리파기홈(미도시)을 포함할 수 있다. 예시적으로 중간판(3)은 AL6061 재질일 수 있다.

보다 구체적으로는 상부자리파기홈(31)은 중간판(3)의 상면에서 중간판(3)보다 상부에 배치되는 진동체(2)의 하단부가 삽입되도록 진동체(2)의 하단부에 상응하여 하측으로 패인 홈 일 수 있고, 하부자리파기홈(미도시)은 중간판(3)의 하면에 중간판(3)보다 하부에 배치되는 진동체(2)의 상단부가 삽입되도록 진동체(2)의 상단부에 상응하여 상측으로 패인 홈일 수 있다.

자리파기홈(상부자리파기홈(31) 및 하부자리파기홈(미도시))은 자리파기 가공을 통해 형성된 것으로, 에폭시 접착에 의해 진동체(2)와 결합될 수 있는데, 중간판(3)이 자리파기홈을 포함함으로써, 진동체(2)와의 결합력을 향상시켜 구조적인 안정성을 부가할 수 있다.

이때 본 장치에서 진동체(2)는 중간판(3)의 둘레를 따라 다수 배치될 수 있는데, 후술하는 장력볼트(4)의 헤드에서 상하 방향을 따라 연장된 샤프트(41) 부분을 둘러쌀 수 있다.

상술하였듯이 진동체(2)는 중간판(3)을 기준으로 상하부에 배치된다고 하였는데, 중간판(3)을 기준으로 상부에 구비되는 진동체(2)는 중간판(3)의 둘레를 따라 다수 배치되고, 중간판(3)을 기준으로 하부에 구비되는 진동체(2)는 중간판(3)의 둘레를 따라 다수 배치될 수 있다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 하우징(1)은 내부에 상기 진동체(2)가 관통되는 중공(111)이 형성된 진동관체(11), 상기 진동관체(11)의 상측 개구를 덮는 상부지지판(12), 상기 진동관체(11)의 하측 개구를 덮는 하부지지판(13)을 포함할 수 있다. 예시적으로 상부지지판(12) 및 하부지지판(13) 각각은 AL6061 재질일 수 있다.

진동관체(11)는 예시적으로 AL6061 재질의 진동링 일 수 있으며, 상하부에서 중심 측으로 진행할수록 직경이 작아지는 굴곡진 형태일 수 있다. 따라서 하우징(1)은 Barrel Flextensional 구조일 수 있다.

상술하였듯이 진동체(2)는 하우징(1)의 내측에 구비된다고 하였는데, 상기 진동체(2)는 하우징(1)의 내측에서 상부지지판(12) 또는 하부지지판(13)과 중간판(3)에 지지되어 배치될 수 있다. 진동관체(11), 상부지지판(12) 및 하부지지판(13)은 후술하는 장력볼트(4)에 의해 고정될 수 있는데, 후술하는 설명에서 보다 자세히 설명하기로 한다.

이때 하우징(1)은 상기 중간판(3)의 상부에 배치되는 진동체(2)와 상부지지판(12) 사이에 배치되는 상부절연판(14) 및, 상기 중간판(3)의 하부에 배치되는 진동체(2)와 하부지지판(13) 사이에 배치되는 하부절연판(15)을 포함할 수 있다.

상부절열판(14) 및 하부절연판(15)은 알루미나 재질일 수 있으며, 압전체(21)에서 상부지지판(12) 및 하부지지판(13) 각각으로 통전되는 것을 억제하기 위한 구성이다.

압전체(21)의 진동은 중간판(3) 및 절연판(상부절연판(14) 및 하부절연판(15) 중 적어도 하나를 매개로 하우징(1)(예시적으로 진동링인 진동관체(11))전달될 수 있다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 장치는 하우징(1)의 상부와 하부를 관통하는 장력볼트(4)(Toolox 44)를 포함할 수 있다.

예시적으로 상부지지판(12), 중간판(3), 하부지지판(13), 상부절연판(14) 및, 하부절연판(15)은 상기 샤프트(41)가 관통되는 관통공이 각각 형성되고, 장력볼트(4)의 헤드 또는 너트는 상부지지판(12)의 상면 또는 하부지지판(13)의 하면에 지지될 수 있다. 이를 통해 상부지지판(12), 진동관체(11) 및 하부지지판(13)이 고정될 수 있다.

상술하였듯이 압전체(21)는 단결정으로서, 인장력이 작용될 경우 쉽게 파단 될 수 있는데, 장력볼트(4)는 압전체(21)가 인장력이 작용될 경우 압축력을 제공하여 압전체(21)의 인장파괴를 억제할 수 있다.

한편, 압전체(21)는 하우징(1)의 내측에 배치되기 전에 전응력(Pre-Stress)이 가해질 수 있다. 보다 구체적으로는 압전체(21)가 전응력이 가해진 이후에 장력볼트(4)를 통해 하우징(1)을 고정할 수 있다.

인장에 약한 단결정 압전체(21)에 압축(수축)력을 가해 인장 시 파괴되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 장치는 진동관체(11)를 감싸는 수밀부트(5)를 포함할 수 있다. 수밀부트(5)는 클램프를 통해 진동관체(11)에 고정될 수 있으며, 이는 해당 분야에서 통상적인 것으로 보다 구체적인 설명은 생략한다.

수밀부트(5)의 재질은 예시적으로 실리콘 고무일 수 있으며, 본 장치의 수밀성을 향상시키기 위한 구성이다.

이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명한 본 발명은 통상의 기술자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

초소형 저주파수 선 배열 소나용 능동 센서 : S
하우징 : 1 진동관체: 11
중공: 111 상부지지판: 12
하부지지판: 13 상부절열판: 14
하부절연판: 15 진동체: 2
압전체: 21 필라멘트: 22
중간판: 3 상부자리파기홈: 31
장력볼트: 4 샤프트: 41
수밀부트: 5

Claims (10)

1. 선 배열 소나용 능동 센서에 있어서,
   하우징; 및
   단결정 압전체를 포함하고, 상기 하우징의 내측에 구비되는 진동체를 포함하고,
   상기 압전체는 결정의 성장 방향이 [011] 방향이고,
   상기 압전체는 직육면체이고,
   상기 진동체는 상기 압전체를 다수 포함하되, 다수의 압전체는 수평 방향을 따라 포개어지고,
   수평 방향을 따라 이웃하는 압전체의 분극 방향은 상호 반대이고,
   상기 진동체는 포개진 다수의 압전체를 감싸는 필라멘트를 더 포함하고,
   상기 진동체는 상기 하우징의 내측에서 상하 방향을 따라 다수 구비되고,
   상하 방향을 따라 이웃하는 진동체 사이에 배치되는 중간판을 더 포함하되,
   상기 중간판은 상면에 상기 중간판보다 상측에 배치되는 진동체와 결합되는 상부자리파기홈 및, 하면에 상기 중간판보다 하측에 배치되는 진동체와 결합되는 하부자리파기홈을 포함하고,
   상기 진동체는 상기 중간판의 둘레를 따라 다수 배치되고,
   상기 하우징은 내부에 상기 진동체가 관통되는 중공이 형성된 진동관체, 상기 진동관체의 상측 개구를 덮는 상부지지판, 상기 진동관체의 하측 개구를 덮는 하부지지판, 상기 중간판의 상부에 배치되는 진동체와 상기 상부지지판 사이에 배치되는 상부절연판 및, 상기 중간판의 하부에 배치되는 진동체와 상기 하부지지판 사이에 배치되는 하부절연판을 포함하고,
   상기 진동관체는 AL6061 재질의 진동링이고, 상하부에서 중심 측으로 진행할수록 직경이 작아지는 굴곡진 형태이고, 상기 상부지지판 및 상기 하부지지판 각각은 AL6061 재질이고,
   수밀성을 향상시키도록 상기 진동관체를 감싸는 수밀부트를 포함하고,
   상기 하우징의 상부와 하부를 관통하는 장력볼트를 더 포함하고,
   상기 압전체는 전응력(Pre-Stress)이 가해진 것이고,
   상기 압전체는 결정의 성장 방향과 분극 방향이 상호 수직인 것을 특징으로 하는 초소형 저주파수 선 배열 소나용 능동 센서.
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