KR102492901B1 - A single crystal composite hydrophone and array hydrophone - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전단결정 소재 및 폴리머 소재를 포함하는 직육면체 형상의 압전단결정 복합체 및 상기 압전단결정 복합체의 상면과 하면에 면접하는 정형판을 포함하는 압전단결정 복합체 음향센서로서, 본 발명에 의하면, 음향수신 감도 특성을 극대화할 수 있다.The present invention is a piezoelectric single crystal composite acoustic sensor comprising a rectangular parallelepiped piezoelectric single crystal composite containing a piezoelectric single crystal material and a polymer material, and a shape plate interviewing upper and lower surfaces of the piezoelectric single crystal composite, according to the present invention, sound reception sensitivity characteristics can be maximized.

Description

압전단결정 복합체 음향센서 및 이를 포함하는 배열 음향센서{A SINGLE CRYSTAL COMPOSITE HYDROPHONE AND ARRAY HYDROPHONE}Piezoelectric single crystal composite acoustic sensor and array acoustic sensor including the same {A SINGLE CRYSTAL COMPOSITE HYDROPHONE AND ARRAY HYDROPHONE}

본 발명은 수중음향센서 등에 적용되는 압전단결정 복합체에 의한 음향센서와 이러한 음향센서가 배열된 배열센서에 관한 것이다.The present invention relates to an acoustic sensor using a piezoelectric single crystal composite applied to an underwater acoustic sensor and the like, and an array sensor in which such an acoustic sensor is arranged.

압전소재는 기계적 변형에 의해 전기신호를 출력하거나 입력된 전기신호에 대하여 형상이 변형되는 전기-기계 에너지 변환소재로, 의료용 초음파 탐촉자, 음향센서 등에 적용되어 음향신호를 송수신하기 위한 감응소자로 활용되어 왔다. Piezoelectric material is an electro-mechanical energy conversion material that outputs an electrical signal by mechanical deformation or changes its shape in response to an input electrical signal. come.

압전소재는 일반적으로 매질(공기, 물 등)에 비해 높은 음향임피던스(Z = ρ ×c, ρ:밀도, c:음속)를 가지는데, 이러한 매질과 압전소재의 임피던스 차이는 임피던스 부정합을 유발하여 압전소재로 음향신호 송수신 시 감도가 감소되고 주파수 대역폭이 좁아진다. 이러한 임피던스 부정합을 해결하기 위하여 압전소재로 이루어진 구조물 사이에 음향임피던스가 낮은 폴리머 소재를 채운 압전-폴리머 복합체가 제안된 바 있다. 압전복합체는 매질과 유사한 수준으로 음향임피던스를 낮출 수 있어, 음향센서 감응소자로 사용될 경우 높은 음향 송수신 감도와 넓은 주파수 대역폭을 가질 수 있다.Piezoelectric materials generally have higher acoustic impedance (Z = ρ × c, ρ: density, c: sound velocity) than medium (air, water, etc.). When transmitting and receiving sound signals with piezoelectric materials, the sensitivity is reduced and the frequency bandwidth is narrowed. In order to solve this impedance mismatch, a piezoelectric-polymer composite in which a polymer material having low acoustic impedance is filled between structures made of piezoelectric materials has been proposed. The piezoelectric composite can lower the acoustic impedance to a level similar to that of the medium, and when used as an acoustic sensor sensitive element, it can have high acoustic transmission/reception sensitivity and a wide frequency bandwidth.

또한, 압전소재는 일반적으로 압전상수의 크기 및 부호가 방향별로 상이한 이방성 소재이다. 압전소재를 수신용 음향센서 감응소자로 활용 시, 방향별 전압출력신호의 크기 및 부호가 달라 해당 신호의 상쇄 간섭으로 수신감도가 크게 하락할 수 있다. 압전복합체는 압전상수 부호가 반대인 방향으로 강성이 낮은 폴리머 물질을 삽입하여 해당 방향의 압력에 대한 감도특성을 둔화시킴으로서 방향별 출력신호 상쇄간섭에 의한 수신감도 하락을 방지할 수 있다. 압전복합체는 압전체 구조 및 폴리머 충진 형태에 따라 1-3 복합체, 2-2 복합체, 0-3 복합체 등의 형상을 가질 수 있다. In addition, piezoelectric materials are generally anisotropic materials in which magnitudes and signs of piezoelectric constants are different for each direction. When a piezoelectric material is used as an acoustic sensor sensitive element for reception, the magnitude and sign of the voltage output signal for each direction are different, and the destructive interference of the signal may significantly decrease the receiving sensitivity. The piezoelectric composite inserts a polymer material with low rigidity in a direction opposite to the sign of the piezoelectric constant to blunt the sensitivity to pressure in the corresponding direction, thereby preventing a decrease in reception sensitivity due to destructive interference of the output signal for each direction. The piezoelectric composite may have a shape such as a 1-3 composite, a 2-2 composite, or an 0-3 composite depending on the structure of the piezoelectric body and the shape of the polymer filling.

압전복합체를 감응소자로 하는 음향센서는 일반적으로 다음과 같은 다층 구조를 가진다. 매질과 접하며 매질과 압전세라믹 복합체의 중간 임피던스를 가지는 소재로 구성되고 입력 음파의 1/4 파장의 두께를 가지는 매칭레이어, 매칭레이어 하면과 접하며 입력 음파의 1/2 파장의 두께를 가지는 압전세라믹 복합체 레이어, 압전세라믹 복합체 하면과 접하며 복합체 후방으로 전달되는 음파의 감쇄를 위해 흡음소재로 구성된 흡음배플 레이어. 상기 감응구조의 경우 전방에 매칭레이어 적용 및 후방에 흡음배플의 적용으로 광대역 주파수 수신이 가능한 장점이 있지만, 수신감도가 상대적으로 낮은 단점이 있다.An acoustic sensor using a piezoelectric composite as a sensitive element generally has the following multilayer structure. A matching layer in contact with the medium and composed of a material having an intermediate impedance between the medium and the piezoelectric ceramic composite and having a thickness of 1/4 wavelength of the input sound wave, and a piezoceramic composite in contact with the lower surface of the matching layer and having a thickness of 1/2 wavelength of the input sound wave Layer, a sound-absorbing baffle layer made of sound-absorbing material to attenuate sound waves transmitted to the rear of the composite in contact with the bottom of the piezoelectric ceramic composite. In the case of the sensing structure, although a matching layer is applied to the front and a sound-absorbing baffle is applied to the rear, there is an advantage in that wideband frequency reception is possible, but the reception sensitivity is relatively low.

압전복합체 음향센서의 압전소재는 PZT(Lead zirconate titanate) 압전세라믹 소재가 보편적으로 활용되어 왔는데, 최근 기존의 압전세라믹에 비해 압전 성능이 우월한 압전단결정 소재가 개발되어 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 <011> 방향으로 분극된 압전단결정 소재의 경우, 2-2형 압전단결정 복합체로 구성되어 기존 음향센서에 비해 높은 음향 수신성능을 가질 수 있다고 발표된 바 있다.PZT (Lead zirconate titanate) piezoelectric ceramic material has been commonly used as the piezoelectric material of the piezoelectric composite acoustic sensor. Recently, a piezoelectric single crystal material with superior piezoelectric performance compared to existing piezoelectric ceramics has been developed and a lot of research is being conducted. In particular, in the case of a piezoelectric single crystal material polarized in the <011> direction, it has been announced that it is composed of a type 2-2 piezoelectric single crystal composite and can have higher sound reception performance than conventional acoustic sensors.

본 발명에서는 상기 2-2형 압전단결정 복합체를 이용하여 높은 음향 수신성능을 가질 수 있는 음향센서 및 배열 음향센서를 제안한다. 제안된 압전단결정 복합체 음향센서는 다음과 같은 구성을 가지는 것을 특징으로 한다. 입력음파의 1/4파장의 두께를 가지는 압전단결정 복합체 레이어, 압전단결정 복합체 레이어 상면과 하면에 접하며 길이방향 또는 폭방향으로 압전단결정 복합체에 인가되는 응력을 줄여주기 위한 정형판 구조, 정형판 하면과 접하며 압전단결정 복합체 하면을 고정단으로 형성하고 길이 및 폭 방향 진동모드 간섭을 배제하기 위한 하드배플 레이어, 상기 음향센서를 정렬하기 위한 마운트 구조. 상기 감응구조의 경우 하드배플 적용에 따른 압전단결정 복합체의 1/4파장 두께모드 구동 및 정형판 구조 적용에 따른 길이, 폭 방향 수신감도 간섭 배제로 기존 압전세라믹 복합체에 비해 높은 수신감도를 가질 수 있다. 또한 정형판 및 하드배플이 가지는 진동모드 간섭을 배제하기 위한 구조 적용으로 평탄한 주파수 대역 특성을 가질 수 있다. The present invention proposes an acoustic sensor and an array acoustic sensor capable of having high acoustic reception performance by using the 2-2 type piezoelectric single crystal composite. The proposed piezoelectric single crystal composite acoustic sensor is characterized by having the following configuration. A piezoelectric single crystal composite layer having a thickness of 1/4 wavelength of the input sound wave, a regular plate structure for reducing the stress applied to the piezoelectric single crystal composite in the longitudinal or width direction contacting the upper and lower surfaces of the piezoelectric single crystal composite layer, and the lower surface of the regular plate A hard baffle layer for contacting and forming the lower surface of the piezoelectric single crystal composite as a fixed end and excluding vibration mode interference in the longitudinal and width directions, and a mount structure for aligning the acoustic sensor. In the case of the above sensitive structure, it is possible to have higher reception sensitivity than conventional piezoelectric ceramic composites by excluding interference in reception sensitivity in the length and width directions according to the 1/4 wavelength thickness mode driving of the piezoelectric single crystal composite according to the application of the hard baffle and the application of the regular plate structure. . In addition, flat frequency band characteristics can be achieved by applying a structure for excluding vibration mode interference of the shape plate and the hard baffle.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.Matters described in the background art above are intended to aid understanding of the background of the invention, and may include matters other than those of the prior art already known to those skilled in the art.

한국공개특허공보 제10-2017-0099133호Korean Patent Publication No. 10-2017-0099133

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 음향수신 감도 특성을 극대화하고 평탄한 주파수 특성을 가질 수 있는 압전단결정 복합체 음향센서 및 이를 포함하는 배열 음향센서를 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric single crystal composite acoustic sensor and an array acoustic sensor including the same that can maximize acoustic reception sensitivity characteristics and have flat frequency characteristics. .

본 발명의 일 관점에 의한 압전단결정 복합체 음향센서는, 압전단결정 소재 및 폴리머 소재를 포함하는 압전단결정 복합체 및 상기 압전단결정 복합체의 상면 또는 하면에 면접하는 정형판, 하부 정형판의 하면에 면접하는 하드배플(baffle)을 포함한다.A piezoelectric single crystal composite acoustic sensor according to one aspect of the present invention includes a piezoelectric single crystal composite including a piezoelectric single crystal material and a polymer material, a piezoelectric single crystal composite that is interviewed on the upper or lower surface of the piezoelectric single crystal composite, and a hard plate that is interviewed on the lower surface of the lower shaping plate. Includes a baffle.

그리고, 상기 압전단결정 복합체는 상기 압전단결정 소재 및 상기 폴리머 소재가 길이 방향으로 번갈아 적층된 것을 특징으로 한는 2-2형 압전단결정 복합체 구조인 것을 특징으로 한다. 또한, 2-2형 압전단결정 복합체는 폭 방향과 높이 방향으로 연속성을 가지는 것을 특징으로 한다.In addition, the piezoelectric single crystal composite is characterized in that the piezoelectric single crystal material and the polymer material are alternately laminated in the longitudinal direction, characterized in that the type 2-2 piezoelectric single crystal composite structure. In addition, the type 2-2 piezoelectric single crystal composite is characterized by having continuity in the width direction and the height direction.

그리고, 상기 압전단결정 복합체의 두께는 입력 음파의 1/4파장으로 설계하는 것을 특징으로 한다.In addition, the thickness of the piezoelectric single crystal composite is characterized in that it is designed to be 1/4 wavelength of the input sound wave.

여기서, 상기 압전단결정 소재는 PMN-PT(Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbTiO3), PIN-PMN-PT (Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbTiO3), Mn:PIN-PMN-PT (Mn doped Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbTiO3), PMN-PZT(Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbZrO3-PbTiO3) 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.Here, the piezoelectric single crystal material is PMN-PT (Pb(Mg 2/3 Nb 1/3 )O 3 -PbTiO 3 ), PIN-PMN-PT (Pb(In 1/2 Nb 1/2 )O 3 -Pb (Mg 2/3 Nb 1/3 )O 3 -PbTiO 3 ), Mn:PIN-PMN-PT (Mn doped Pb(In 1/2 Nb 1/2 )O 3 -Pb(Mg 2/3 Nb 1/ 3 ) O 3 -PbTiO 3 ) and PMN-PZT (Pb(Mg 2/3 Nb 1/3 ) O 3 -PbZrO 3 -PbTiO 3 ).

한편, 상기 압전단결정 소재는 결정방향의 밀러지수(Miller Indies)가 <011>인 결정방향으로 분극된 것을 특징으로 한다.Meanwhile, the piezoelectric single crystal material is characterized in that it is polarized in a crystal direction having a Miller Indies of <011> in the crystal direction.

또한, 상기 폴리머 소재는 폴리우레탄, 실리콘, 에폭시, 고무, 폴리에틸렌 중 어느 하나 이상을 포함하는 고분자 물질이거나, 상기 고분자 물질에 미소구체를 포함한 합성폴리머 재질 또는 다공성 폼 재질인 것을 특징으로 한다.In addition, the polymer material is characterized in that it is a polymer material containing at least one of polyurethane, silicone, epoxy, rubber, and polyethylene, or a synthetic polymer material or porous foam material including microspheres in the polymer material.

그리고, 상기 정형판은 금속 소재 또는 GRP(Glass fiber Reinforced Plastic) 소재 또는 CRP(Carbon fiber Reinforced Plastic) 소재의 판형상인 것을 특징으로 한다.And, the shape plate is characterized in that the plate shape of a metal material, GRP (Glass fiber Reinforced Plastic) material or CRP (Carbon fiber Reinforced Plastic) material.

또는, 상기 정형판 상에는 복수 개의 딤플(dimple)을 포함하는 형상인 것을 특징으로 할 수 있다.Alternatively, it may be characterized in that it has a shape including a plurality of dimples on the shaping plate.

또는, 상기 정형판은 제1 소재와 제2 소재가 상기 정형판의 폭 방향으로 번갈아 배열되고, 상기 제2 소재는 상기 제1 소재보다 강성이 낮은 폴리머 재질인 형상인 것을 특징으로 할 수 있다.Alternatively, the shaping plate may be characterized in that a first material and a second material are alternately arranged in a width direction of the shaping plate, and the second material is a polymer material having lower rigidity than the first material.

그리고, 상기 하드배플은 상기 압전단결정 복합체보다 충분히 큰 임피던스를 가지고, 입력되는 음파의 1/4파장으로 설계되어 압전단결정 복합체 하면을 고정단으로 형성시켜주는 것을 특징으로 한다.The hard baffle is characterized in that it has a sufficiently larger impedance than the piezoelectric single crystal composite and is designed to have a 1/4 wavelength of an input sound wave, forming a lower surface of the piezoelectric single crystal composite as a fixed end.

또는, 상기 하드배플은 진동모드간섭을 방지하기 위하여 하면으로부터 상방향으로 그루브(groove)가 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.Alternatively, the hard baffle may be characterized in that a groove is formed upward from the lower surface in order to prevent vibration mode interference.

또는, 상기 하드배플은 상기 압전단결정 복합체보다 충분히 큰 임피던스를 가지고, 입력되는 음파의 1/2파장으로 설계되어 2가지 주파수 대역의 음향신호를 수신하는 것을 특징으로 할 수 있다.Alternatively, the hard baffle may have an impedance sufficiently greater than that of the piezoelectric single crystal composite, and may be designed to have 1/2 wavelength of an input sound wave to receive sound signals of two frequency bands.

한편, 상기 하드배플과 상기 정형판 간에는 절연판을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.Meanwhile, an insulating plate may be included between the hard baffle and the shaping plate.

한편, 수밀을 목적으로 상기 압전단결정 복합체, 상기 정형판 및 상기 배플을 감싸며 음향적으로 투명한 특성을 가지는 폴리우레탄 또는 고무 소재의 음향윈도우를 포함할 수 있다.On the other hand, for the purpose of watertightness, an acoustic window of polyurethane or rubber material having an acoustically transparent property may be included covering the piezoelectric single crystal composite, the shape plate, and the baffle.

다음으로, 본 발명의 일 관점에 의한 배열 음향센서는, 일 면에 복수 개의 음향센서 정렬 홈이 형성된 마운트를 더 포함하고, 복수 개의 상기 음향센서 정렬홈 각각에 상기 압전단결정 복합체 음향센서가 장착된 것을 특징으로 한다.Next, the array acoustic sensor according to one aspect of the present invention further includes a mount having a plurality of acoustic sensor alignment grooves formed on one surface, and the piezoelectric single crystal composite acoustic sensor is mounted on each of the plurality of acoustic sensor alignment grooves. characterized by

그리고, 상기 마운트는 엔지니어링 플라스틱 소재, 또는 흡음소재인 것을 특징으로 한다.And, the mount is characterized in that an engineering plastic material, or a sound-absorbing material.

또한, 수밀을 목적으로 복수 개의 상기 압전단결정 복합체 및 상기 마운트를 감싸며 음향적으로 투명한 특성을 가지는 폴리우레탄 또는 고무 소재의 음향윈도우를 포함할 수 있다.In addition, for the purpose of watertightness, an acoustic window of polyurethane or rubber material having an acoustically transparent property may be included surrounding the plurality of piezoelectric single crystal composites and the mount.

본 발명의 압전단결정 복합체 음향센서 및 배열 음향센서에 의하면, 정형판 구조의 적용으로 두께 방향의 수신감도 성능을 유지하면서 측면 방향의 수신감도 간섭을 최소화하여 음향 수신감도를 극대화할 수 있고, 하드배플의 적용으로 압전단결정 복합체를 1/4파장 두께모드로 구동하여 높은 수신감도를 가질 수 있다. 또한, 구조물의 진동모드에 의한 수신감도 간섭을 방지할 수 있는 정형판 및 하드배플 구조를 적용하여 평탄한 수신감도 주파수 특성을 얻을 수 있다.According to the piezoelectric single crystal composite acoustic sensor and the array acoustic sensor of the present invention, it is possible to maximize the acoustic reception sensitivity by minimizing the reception sensitivity interference in the lateral direction while maintaining the reception sensitivity performance in the thickness direction by applying the shaped plate structure, and the hard baffle With the application of , it is possible to have high reception sensitivity by driving the piezoelectric single crystal composite in a 1/4 wavelength thickness mode. In addition, flat reception sensitivity frequency characteristics can be obtained by applying a structure of a shaped plate and a hard baffle capable of preventing interference to reception sensitivity due to vibration modes of the structure.

도 1은 압전단결정 복합체에 대한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 대한 압전단결정 복합체 음향센서를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 대한 압전단결정 배열 음향센서를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 대한 압전단결정 배열 음향센서를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 응용 실시예에 대한 압전단결정 복합체 음향센서를 도시한 것이다.
도 6은 도 5의 실시예에 의한 음향성능지수 특성을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 응용 실시예에 대한 압전단결정 복합체 음향센서를 도시한 것이다.
도 8은 도 7의 실시예에 의한 음향 수신감도를 나타낸 것이다.
1 is a perspective view of a piezoelectric single crystal composite.
2 shows a piezoelectric single crystal composite acoustic sensor according to an embodiment of the present invention.
3 shows a piezoelectric single crystal array acoustic sensor according to an embodiment of the present invention.
4 shows a piezoelectric single crystal array acoustic sensor according to another embodiment of the present invention.
5 shows a piezoelectric single crystal composite acoustic sensor for an application embodiment of the present invention.
FIG. 6 shows acoustic figure of merit characteristics according to the embodiment of FIG. 5 .
7 shows a piezoelectric single crystal composite acoustic sensor according to another application embodiment of the present invention.
FIG. 8 shows acoustic reception sensitivity according to the embodiment of FIG. 7 .

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.In order to fully understand the present invention and the advantages in operation of the present invention and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings illustrating preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.In describing the preferred embodiments of the present invention, known techniques or repetitive descriptions that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be reduced or omitted.

도 1은 압전단결정 복합체에 대한 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 대한 압전단결정 복합체 음향센서를 도시한 것이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 대한 압전단결정 배열 음향센서를 도시한 것이다. 그리고, 도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 대한 압전단결정 배열 음향센서를 도시한 것이다.1 is a perspective view of a piezoelectric single crystal composite. 2 shows a piezoelectric single crystal composite acoustic sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 shows a piezoelectric single crystal array acoustic sensor according to an embodiment of the present invention. And, FIG. 4 shows a piezoelectric single crystal array acoustic sensor according to another embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 압전단결정 복합체 음향센서 및 이를 포함하는 배열 음향센서를 설명하기로 한다.Hereinafter, a piezoelectric single crystal composite acoustic sensor and an array acoustic sensor including the same according to an embodiment of the present invention will be described.

본 발명의 도 1과 같이 음향센서(100)는 압전단결정 소재와 폴리머 재질의 소재가 층을 이루며 면접하는 2-2형 압전단결정 복합체(10)를 감응소자로 가진다. 2-2형 압전단결정 복합체 음향센서의 장점은 다음과 같이 설명될 수 있다. As shown in FIG. 1 of the present invention, the acoustic sensor 100 has a 2-2 type piezoelectric single crystal composite 10 in which a piezoelectric single crystal material and a polymer material are layered and interviewed as a sensitive element. The advantages of the 2-2 type piezoelectric single crystal composite acoustic sensor can be explained as follows.

소자의 크기 대비 파장이 긴 음향신호가 압전단결정 복합체 감응소자에 인가될 경우, 감응소자의 전방위 면에 동일한 크기 및 위상의 음압이 인가된다. 이러한 전방위로 인가되는 입력 음향신호에 대하여 출력되는 전압신호의 크기를 정수압 압전상수로 정의할 수 있는데, 전방위 압력신호에 대한 출력 전압의 크기는 정수압 전압 압전상수(hydrostatic piezoelectric voltage constant, gh), 출력 전하의 크기는 정수압 전하 압전상수(hydrostatic piezoelectric charge constant, dh)로 정의한다. 이러한 전압 압전상수와 전하 압전상수는 아래 수학식 1과 같이 세 방향 압전상수의 합으로 계산된다. When an acoustic signal having a longer wavelength compared to the size of the element is applied to the piezoelectric single crystal composite sensing element, sound pressure of the same magnitude and phase is applied to the omnidirectional surfaces of the sensing element. The magnitude of the voltage signal output with respect to the input sound signal applied in these omnidirectional directions can be defined as a hydrostatic pressure piezoelectric constant. The magnitude of the output charge is defined as the hydrostatic piezoelectric charge constant (d h ). The voltage piezoelectric constant and the charge piezoelectric constant are calculated as the sum of piezoelectric constants in three directions as shown in Equation 1 below.

Figure 112021038031316-pat00001
Figure 112021038031316-pat00001

이때 정수압 전압 압전상수와 정수압 전하 압전상수의 곱을 아래 수학식 2와 같이 음향센서의 정수압 성능지수(Figure Of Merit, FOM)으로 정의할 수 있는데, 이는 음향센서의 신호대 잡음비(signal to noise ratio)을 대변하는 성능지수로 사용된다.At this time, the product of the hydrostatic voltage piezoelectric constant and the hydrostatic charge piezoelectric constant can be defined as the figure of merit (FOM) of the acoustic sensor as shown in Equation 2 below, which is the signal to noise ratio of the acoustic sensor It is used as a representative figure of merit.

Figure 112021038031316-pat00002
Figure 112021038031316-pat00002

압전소재는 이방성 물질로서 방향별 압전상수(d31, d32, d33 또는 g31, g32, g33)의 부호와 값이 서로 상이하여 세 방향의 압전상수의 합으로 표현되는 정수압 압전상수의 값이 매우 낮다. 따라서 이러한 압전소재를 단순한 블록형태로 사용할 경우 음향 수신감도가 매우 떨어지게 된다. 압전복합체는 압전소재의 부호가 반대인 방향으로 강성이 약한 폴리머 재질을 충진하여 해당 방향의 응력을 낮추고 압전상수 값을 하락시킬 수 있다. 따라서 압전복합체는 성능지수(FOM) 즉 신호대 잡음비 특성이 높은 감응소자를 설계할 수 있게 한다.Piezoelectric materials are anisotropic materials, and the signs and values of the piezoelectric constants (d 31 , d 32 , d 33 or g 31 , g 32 , g 33 ) for each direction are different, so the hydrostatic pressure piezoelectric constant expressed as the sum of the piezoelectric constants in the three directions. The value of is very low. Therefore, when such a piezoelectric material is used in a simple block form, the sound reception sensitivity is very low. The piezoelectric composite can lower the stress in the corresponding direction and lower the value of the piezoelectric constant by filling the polymer material with weak rigidity in a direction opposite to the sign of the piezoelectric material. Therefore, the piezoelectric composite makes it possible to design a sensitive element with a high figure of merit (FOM), that is, a high signal-to-noise ratio characteristic.

본 발명의 2-2형 압전단결정 복합체(10)는 압전상수 부호가 반대인 (2)방향을 따라서 압전단결정과 폴리머가 층층이 배열된 구조를 특징으로 한다. 여기서 i-j형 복합체라 함은 i 는 압전 소재가 연속성을 가지는 방향의 개수, j 는 폴리머 소재의 연속성을 가지는 방향의 개수를 의미한다(i, j ≤ 3). 상기 2-2형 압전단결정 복합체는 압전단결정과 폴리머가 (1)방향 및 (3)방향 2개의 방향으로 연속성을 가지게 된다. The type 2-2 piezoelectric single crystal composite 10 of the present invention is characterized by a structure in which piezoelectric single crystals and polymers are arranged layer by layer along the (2) direction in which the sign of the piezoelectric constant is opposite. Here, the i-j composite means the number of directions in which the piezoelectric material has continuity, and j means the number of directions in which the polymer material has continuity (i, j ≤ 3). In the 2-2 type piezoelectric single crystal composite, the piezoelectric single crystal and the polymer have continuity in two directions (1) and (3).

제안된 2-2형 압전단결정 복합체(10)는 도 1과 같이 압전단결정 사이에 상대적으로 강성이 낮은 폴리머를 충진하여 폴리머가 삽입된 면과 수직되는 방향(2방향)의 음향 감응특성을 하락 시킬 수 있다. 따라서 (1),(3) 방향의 압전상수 부호가 같고 (2) 방향의 압전상수 부호가 그 반대인 압전단결정을 사용할 경우 감응특성을 극대화 할 수 있다.As shown in FIG. 1, the proposed type 2-2 piezoelectric single crystal composite 10 is filled with a polymer having relatively low rigidity between the piezoelectric single crystals, thereby reducing the acoustic response characteristics in the direction (two directions) perpendicular to the surface where the polymer is inserted. can Therefore, when using a piezoelectric single crystal in which the signs of the piezoelectric constants in directions (1) and (3) are the same and the signs of the piezoelectric constants in the direction (2) are opposite, the response characteristics can be maximized.

2-2형 압전단결정 복합체(10)에 적합한 압전단결정 소재로 밀러지수가 <011>인 결정방향으로 분극된 PMN-PT(Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbTiO3), PIN-PMN-PT (Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbTiO3), Mn:PIN-PMN-PT (Mn doped (Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbTiO3), PMN-PZT(Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbZrO3-PbTiO3) 중 하나를 포함할 수 있다. 해당 압전단결정 소재는 (1), (3) 방향의 압전상수가 양수이고, (2)방향의 압전상수가 음수이므로 2-2형 압전단결정 복합체 적용으로 (2)방향의 감응특성을 낮출 경우 수신감도 특성을 극대화 할 수 있다.PMN-PT (Pb(Mg 2/3 Nb 1/3 )O 3 -PbTiO 3 ) polarized in the crystal direction having a Miller index <011> as a piezoelectric single crystal material suitable for the type 2-2 piezoelectric single crystal composite 10, PIN-PMN-PT (Pb(In 1/2 Nb 1/2 )O 3 -Pb(Mg 2/3 Nb 1/3 )O 3 -PbTiO 3 ), Mn:PIN-PMN-PT (Mn doped (Pb (In 1/2 Nb 1/2 )O 3 -Pb(Mg 2/3 Nb 1/3 )O 3 -PbTiO 3 ), PMN-PZT(Pb(Mg 2/3 Nb 1/3 )O 3 -PbZrO 3 -PbTiO 3 ) Since the piezoelectric single crystal material has positive piezoelectric constants in the (1) and (3) directions and negative piezoelectric constants in the (2) direction, it is a type 2-2 piezoelectric single crystal composite. If the response characteristics of (2) direction are lowered by application, the reception sensitivity characteristics can be maximized.

압전단결정 복합체(10)에 적용 가능한 폴리머 소재로는 폴리우레탄, 실리콘, 에폭시, 고무, 폴리에틸렌 등의 고분자 물질이나 해당 폴리머 물질에 미소구체를 포함한 합성폴리머 재질 및 다공성 폼재질을 포함할 수 있다.Polymer materials applicable to the piezoelectric single crystal composite 10 may include polymer materials such as polyurethane, silicone, epoxy, rubber, and polyethylene, synthetic polymer materials including microspheres in the polymer materials, and porous foam materials.

본 발명에서는 압전단결정 복합체를 감응소자로 하는 도 2와 같은 압전단결정 복합체 음향센서(100) 감응구조를 제안한다. In the present invention, a piezoelectric single crystal composite acoustic sensor 100 sensitive structure as shown in FIG. 2 using the piezoelectric single crystal composite as a sensitive element is proposed.

해당 음향센서 감응구조는 압전단결정 복합체(10), 정형판(20) 및 하드배플(30)을 포함하는 다층형(multi-layer) 구조를 가진다. 압전단결정 복합체는 입력 음파의 1/4파장으로 설계되어 두께방향의 진동모드로 음향신호를 탐지한다.The acoustic sensor sensitive structure has a multi-layer structure including a piezoelectric single crystal composite 10, a shape plate 20 and a hard baffle 30. The piezoelectric single crystal composite is designed with 1/4 wavelength of the input sound wave and detects the sound signal in the vibration mode in the thickness direction.

압전단결정 복합체 음향센서(100)는 압전단결정 복합체(10)의 상하 양면에 면접하는 정형판(20)을 가지는 것을 특징으로 한다. 정형판(20)은 평면방향인 (1), (2) 방향, 또는 (2) 방향의 압전단결정 복합체 강성을 높여 해당방향으로 입사하는 음파에 의한 압전단결정 복합체 변형을 최소화하여 주 감응 방향인 (3) 방향의 수신감도 변화 없이 평면방향의 수신감도에 의한 간섭을 방지한다. 이때 정형판의 두께는 압전단결정 복합체의 두께방향 진동모드에 영향을 주지 않도록 입력 음파의 파장에 비해 충분히 얇게 설계한다. 정형판(20) 재질은 수평방향에 인가되는 응력을 충분히 버틸 수 있을 만큼 강성이 높은 재질을 적용할 수 있다. 정형판 소재는 철, 알루미늄, 구리 및 구리화합물 등의 금속소재나 GRP(Glass fiber Reinforced Plastic), CRP(Carbon fiber Reinforced Plastic) 등의 복합체 소재를 사용할 수 있다. 정형판으로 전도성 있는 소재를 사용할 경우 신호획득을 위한 전극판으로 활용할 수 있다.The piezoelectric single crystal composite acoustic sensor 100 is characterized by having a shaping plate 20 interviewed on both upper and lower surfaces of the piezoelectric single crystal composite 10 . The shape plate 20 increases the rigidity of the piezoelectric single crystal composite in the plane direction (1), (2) direction, or (2) direction to minimize deformation of the piezoelectric single crystal composite due to sound waves incident in the corresponding direction, which is the main response direction ( 3) Prevents interference caused by the reception sensitivity in the plane direction without changing the reception sensitivity in the direction. At this time, the thickness of the shape plate is designed to be sufficiently thin compared to the wavelength of the input sound wave so as not to affect the vibration mode in the thickness direction of the piezoelectric single crystal composite. The material of the shaping plate 20 may be a material having high rigidity enough to withstand stress applied in a horizontal direction. Metal materials such as iron, aluminum, copper, and copper compounds, or composite materials such as GRP (Glass fiber Reinforced Plastic) and CRP (Carbon fiber Reinforced Plastic) may be used as the material for the shaping plate. When a conductive material is used as a shape plate, it can be used as an electrode plate for signal acquisition.

도 5는 압전단결정 복합체 음향센서(100)에 적용 가능한 정형판(20) 형상을 도시한 것이며, 도 6은 도 5의 실시예에 의한 음향성능지수 특성을 나타낸 것이다.FIG. 5 shows the shape of the regular plate 20 applicable to the piezoelectric single crystal composite acoustic sensor 100, and FIG. 6 shows the acoustic figure of merit characteristics according to the embodiment of FIG.

먼저, 도 5(a)의 평판형 정형판(21)은 본 발명의 일 실시예에 해당하는 일반적인 판형의 정형판으로서, (3)방향의 강성의 변화 없이 (1),(2) 방향의 강성을 높여 수신감도 특성을 향상시킨다.First, the flat plate-shaped shaping plate 21 of FIG. 5 (a) is a general plate-shaped shaping plate corresponding to an embodiment of the present invention, without change in stiffness in the (3) direction, in the (1) and (2) directions. By increasing the rigidity, the reception sensitivity characteristics are improved.

그리고, 도 5(b)의 딤플형 정형판(22)은 (1), (2) 방향의 강성을 높이면서 정형판의 질량을 최소화하기 위해 복수 개의 딤플(22-1, dimple)이 형성된 구조로서 정형판에 의한 두께방향 수신감도 변화를 최소화 하여 수신감도 증가 효과를 극대화 할 수 있다.In addition, the dimple-type shaping plate 22 of FIG. 5 (b) has a structure in which a plurality of dimples 22-1 (dimples) are formed to minimize the mass of the shaping plate while increasing the rigidity in the (1) and (2) directions. As a result, it is possible to maximize the effect of increasing the reception sensitivity by minimizing the change in the reception sensitivity in the thickness direction by the shaping plate.

그리고, 도 5(c)의 복합체형 정형판(23)은 강성이 높은 정형판 소재인 제1 소재(23-1)와 강성이 낮은 폴리머 재질의 제2 소재(23-2)를 1방향으로 교차로 배열한 형태를 가진다. 이러한 정형판은 상대적으로 (1)방향의 강성은 낮고 (2)방향의 강성은 높은 구조로, 압전단결정 복합체의 압전상수가 양수인 (1)방향의 감응 특성은 유지하면서 압전상수가 음수인 (2)방향의 감응특성을 효과적으로 낮출 수 있어 수신감도 특성을 향상시킬 수 있다.And, in the composite type shaping plate 23 of FIG. 5(c), a shaping plate material having high rigidity, the first material 23-1, and a low rigidity shaping material, the second material 23-2, made of a polymer material, are formed in one direction. It has the form of a cross-arranged arrangement. Such a shape plate has a relatively low stiffness in the (1) direction and high stiffness in the (2) direction. ) direction, it is possible to effectively lower the sensitivity characteristics of reception.

도 6에서 그래프의 가로축은 압전단결정 복합체의 압전단결정 소재의 부피비, 세로축은 신호대 잡음비 성능을 대변하는 정수압 성능지수(FOM, Figure Of Merit)를 나타낸다. 성능지수는 압전단결정 복합체의 압전단결정 부피비에 따라 변화하는 특성을 가지며 특정 부피비에서 최대값을 가진다. 정형판 형상에 따라 평판형 정형판(21), 딤플형 정형판(22), 복합체형 정형판(23) 순서로 최대 성능지수가 높아지는 것을 확인 할 수 있다.In FIG. 6, the horizontal axis of the graph represents the volume ratio of the piezoelectric single crystal material of the piezoelectric single crystal composite, and the vertical axis represents the hydrostatic pressure figure of merit (FOM) representing signal-to-noise ratio performance. The figure of merit has a characteristic that changes according to the volume ratio of the piezoelectric single crystal composite and has a maximum value at a specific volume ratio. It can be seen that the maximum figure of merit increases in the order of the flat shape shaping plate 21, the dimple shaping plate 22, and the composite shaping plate 23 according to the shape of the shaping plate.

그리고, 음향센서(100)는 압전단결정 복합체(10) 또는 정형판(20) 하면과 면접하는 하드배플(30) 구조를 가지며, 압전단결정 복합체(10)에 비해 임피던스(밀도 x 강성)가 높은 소재인 철, 알루미늄, 텅스텐, 황동, CRP, GRP 등이 적용될 수 있다. 하드배플(30)은 압전단결정 복합체(10)의 하면을 고정단으로 형성하여 압전단결정 복합체(10)가 1/4파장 두께모드로 음파탐지를 가능하게 한다. 하드배플(30)은 수신주파수 대역 내에서 하드배플(30) 구조물의 진동모드에 의한 수신감도 간섭을 방지하기 위한 구조를 가질 수 있다. 또한, 절연특성 유지를 위하여 압전단결정 복합체(10)와 하드배플(30) 또는 정형판(20)과 하드배플(30) 사이에 절연판을 적용할 수 있다. 절연판은 알루미나, GRP, 등의 절연 재질이 적용될 수 있다.In addition, the acoustic sensor 100 has a hard baffle 30 structure that interviews the lower surface of the piezoelectric single crystal composite 10 or the shape plate 20, and is a material with higher impedance (density x stiffness) than the piezoelectric single crystal composite 10. Phosphorus iron, aluminum, tungsten, brass, CRP, GRP, etc. can be applied. The hard baffle 30 forms the lower surface of the piezoelectric single crystal composite 10 as a fixed end so that the piezoelectric single crystal composite 10 enables sonar detection in a 1/4 wavelength thickness mode. The hard baffle 30 may have a structure for preventing interference with reception sensitivity due to a vibration mode of the structure of the hard baffle 30 within a reception frequency band. In addition, an insulating plate may be applied between the piezoelectric single crystal composite 10 and the hard baffle 30 or between the shape plate 20 and the hard baffle 30 in order to maintain insulating properties. An insulating material such as alumina, GRP, or the like may be applied to the insulating plate.

도 7는 압전단결정 복합체 음향센서(100)에 적용 가능한 하드배플(30) 형상을 도시한 것이며, 도 8은 도 7의 실시예에 의한 수신감도 특성을 나타낸 것이다.FIG. 7 shows the shape of a hard baffle 30 applicable to the piezoelectric single crystal composite acoustic sensor 100, and FIG. 8 shows reception sensitivity characteristics according to the embodiment of FIG. 7 .

먼저, 도 7(a)의 블록형 하드배플(31)은 가장 기본적인 하드배플 구조로 약 1/4 파장 두께로 설계되며 압전단결정 복합체의 1/4파장 두께방향 공진모드를 설계 할 수 있다. First, the block-type hard baffle 31 of FIG. 7 (a) is the most basic hard baffle structure and is designed to be about 1/4 wavelength thick, and a 1/4 wavelength thickness direction resonance mode of the piezoelectric single crystal composite can be designed.

그리고, 도 7(b)의 그루브 형 하드배플(32)은 하드배플 내부에 그루브(홈, groove)을 형성하여 수신감도와 간섭하는 하드배플의 진동모드를 제거하여 평탄한 수신감도 특성을 확보할 수 있다. 해당 하드배플 구조의 경우 그루브(홈) 내부는 음향윈도우 재질로 충진 될 수 있다. In addition, the grooved hard baffle 32 of FIG. 7 (b) forms a groove inside the hard baffle to remove the vibration mode of the hard baffle that interferes with the reception sensitivity, thereby securing flat reception sensitivity characteristics. there is. In the case of the hard baffle structure, the inside of the groove (groove) may be filled with an acoustic window material.

그리고, 도 7(c)의 2대역 수신형 하드배플(33)은 하드배플을 1/2파장 두께로 설계하여 압전단결정 복합체의 두께모드 및 하드배플의 두께모드 2개의 공진모드를 이용하여 2가지 주파수 대역에서 높은 수신감도를 가질 수 있다.In addition, the two-band receiving hard baffle 33 of FIG. 7 (c) is designed to have a thickness of 1/2 wavelength, and uses two resonance modes, the thickness mode of the piezoelectric single crystal composite and the thickness mode of the hard baffle. It can have high reception sensitivity in a frequency band.

도 8에서 그래프의 가로축은 주파수, 세로축은 수신감도를 나타낸다. 그래프를 참조하면 블록형 하드배플(31)은 복합체 두께방향 공진모드 주파수에서 최대 수신감도를 가지는 특성을 보인다. 하지만 하드배플의 진동모드 간섭에 의해 수신감도의 출렁임이 형성되는 것을 확인 할 수 있다. 그루브형 고정배플(32)는 하드배플의 평면방향 진동모드를 제거하여 블록형 고정배플에 비해 평탄한 수신감도 특성이 확인된다. 2대역 수신형 하드배플(33)은 복합체 및 하드배플의 2개의 공진모드를 중심주파수 주변에 설계하여 2개의 주파수대역에서 높은 수신감도를 가지는 것을 특징으로 한다.8, the horizontal axis of the graph represents frequency, and the vertical axis represents reception sensitivity. Referring to the graph, the block-type hard baffle 31 exhibits the characteristics of having the maximum reception sensitivity at the resonance mode frequency in the thickness direction of the composite. However, it can be confirmed that fluctuations in reception sensitivity are formed by the vibration mode interference of the hard baffle. The groove-type fixed baffle 32 eliminates the vibration mode in the plane direction of the hard baffle, and thus, a flat receiving sensitivity characteristic is confirmed compared to the block-type fixed baffle. The two-band receiving type hard baffle 33 is characterized by having high reception sensitivity in two frequency bands by designing two resonance modes of the composite and hard baffle around the center frequency.

다음, 압전단결정 복합체 음향센서(100)는 수밀을 위하여 외면을 폴리머 재질로 감싸는 음향윈도우(40) 구조를 가질 수 있다. 음향윈도우(40)는 입력 음파를 감응소자로 손실 없이 전달하기 위해 매질과 비슷한 물성을 가져야 한다.Next, the piezoelectric single crystal composite acoustic sensor 100 may have an acoustic window 40 structure in which an outer surface is wrapped with a polymer material for watertightness. The acoustic window 40 should have properties similar to those of the medium in order to transfer the input sound wave to the sensitive element without loss.

즉, 음향윈도우(40)는 내부 구성품들을 수밀하고 전방에서 입사되는 음향신호를 압전단결정 복합체(10)에 전달하는 역할을 한다. 음향신호를 복합체로 효과적으로 전달하기 위하여 매질과 임피던스가 유사하고 제작성이 높은 폴리우레탄(polyurethane) 또는 고무재질의 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.That is, the acoustic window 40 serves to seal internal components and transmits an acoustic signal incident from the front to the piezoelectric single crystal composite 10 . In order to effectively transmit the acoustic signal to the composite, it is preferable to be made of a polyurethane or rubber material having a similar impedance to the medium and having high manufacturability.

나아가, 본 발명에서 제안하는 음향감응구조는 다수의 압전단결정 복합체 음향센서(100)로 이루어진 도 3과 같은 배열 음향센서(400)로 구성될 수 있다. 배열 음향센서(400)는 압전단결정 복합체 음향센서(100)를 고정하고, 입력되는 음장을 안정화시키기 위한 마운트(200) 구조를 가질 수 있다. 마운트(200) 구조상에는 음향센서(100) 소자를 정렬하기 위한 음향센서 정렬홈(210)이 형성될 수 있다. 마운트(200) 구조물은 전방에서 입력되는 음향신호를 안정화하고 후방에서 유입되는 소음을 차단하기 위하여 흡음소재로 제작될 수 있다.Furthermore, the acoustic sensing structure proposed in the present invention may be composed of an array acoustic sensor 400 as shown in FIG. 3 consisting of a plurality of piezoelectric single crystal composite acoustic sensors 100. The array acoustic sensor 400 may have a mount 200 structure for fixing the piezoelectric single crystal composite acoustic sensor 100 and stabilizing an input sound field. Acoustic sensor alignment grooves 210 for aligning the acoustic sensor 100 elements may be formed on the structure of the mount 200 . The structure of the mount 200 may be made of a sound-absorbing material to stabilize a sound signal input from the front and block noise from the rear.

본 발명의 다른 실시 예에 의한 배열 음향센서(400)는 도 4와 같이 구성될 수 있다.An array acoustic sensor 400 according to another embodiment of the present invention may be configured as shown in FIG. 4 .

배열센서(400)는 음향센서(100)를 고정하고 입력되는 음장을 안정화시키기 위한 마운트(200) 구조를 포함한다. 마운트의 형상은 배열형상에 따라 결정되고 입력되는 음향 신호의 안정화를 위하여 압전단결정 복합체 감응면적보다 크게 가장자리를 가지는 것을 특징으로 한다. 도 4와 같이 일자형 마운트(200)를 적용하여 선형 음향센서 배열을 구성할 수 있고, 응용 실시예로서 도 4 아래 도면과 같이 평판형 마운트(201)를 적용하여 평면형 음향센서 배열을 구성할 수 있다. 마운트 구조물은 개별 음향센서를 정렬할 수 있는 음향센서 정렬홈(210)을 가질 수 있다.The array sensor 400 includes a mount 200 structure for fixing the acoustic sensor 100 and stabilizing an input sound field. The shape of the mount is determined according to the shape of the arrangement and is characterized in that it has an edge larger than the sensing area of the piezoelectric single crystal composite in order to stabilize the input sound signal. As shown in FIG. 4, a linear acoustic sensor array can be configured by applying a straight mount 200, and as an application embodiment, a planar acoustic sensor array can be configured by applying a flat mount 201 as shown in the drawing below in FIG. . The mount structure may have acoustic sensor alignment grooves 210 capable of aligning individual acoustic sensors.

마운트(200) 재질은 음향 성능에 영향성이 적은 엔지니어링 플라스틱 재질이나, 후방에서 유입되는 소음차단을 위하여 흡음 특성이 높은 다공성 폴리머, 또는 산란재와 혼합된 혼합 폴리머 재질 등이 적용될 수 있다.The material of the mount 200 may be an engineering plastic material having little effect on acoustic performance, or a porous polymer having high sound absorbing properties or a mixed polymer material mixed with a scattering material to block noise flowing in from the rear.

이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.Although the present invention as described above has been described with reference to the illustrated drawings, it is not limited to the described embodiments, and it is common knowledge in the art that various modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. It is self-evident to those who have Therefore, such modified examples or variations should be included in the claims of the present invention, and the scope of the present invention should be interpreted based on the appended claims.

100 : 압전단결정 복합체 음향센서
10 : 압전단결정 복합체
20, 21 : 정형판
22 : 딤플형 정형판
22-1 : 딤플
23 : 복합체형 정형판
23-1 : 제1 소재 23-2 : 제2 소재
30 : 하드 배플
31 : 블록형 배플
32 : 그루브형 배플
32-1 : 그루브
33 : 2대역 수신형 배플
40 : 음향윈도우
200 : 마운트
210 : 음향센서 정렬홈
201 : 평판형 마운트
400 : 배열 음향 센서
100: piezoelectric single crystal composite acoustic sensor
10: piezoelectric single crystal composite
20, 21: shape plate
22: dimple type shaping plate
22-1: dimple
23: composite type shaping plate
23-1: first material 23-2: second material
30: hard baffle
31: block type baffle
32: grooved baffle
32-1: Groove
33: 2-band receiving baffle
40: sound window
200: mount
210: Acoustic sensor alignment groove
201: flat mount
400: array acoustic sensor

Claims (22)

압전단결정 소재 및 폴리머 소재를 포함하는 압전단결정 복합체;
상기 압전단결정 복합체의 상면과 하면에 면접하는 정형판;
상기 압전단결정 복합체의 하면에 면접하는 정형판의 하면에 면접하는 하드배플(baffle); 및
상기 압전단결정 복합체, 상기 정형판 및 상기 하드배플을 감싸는 폴리우레탄 또는 고무 소재의 음향윈도우를 포함하는,
압전단결정 복합체 음향센서.
A piezoelectric single crystal composite comprising a piezoelectric single crystal material and a polymer material;
A regular plate for interviewing the upper and lower surfaces of the piezoelectric single crystal composite;
a hard baffle for interviewing the lower surface of the piezoelectric single crystal composite; and
Including an acoustic window of polyurethane or rubber material surrounding the piezoelectric single crystal composite, the shape plate, and the hard baffle,
Piezoelectric single crystal composite acoustic sensor.
청구항 1에 있어서,
상기 압전단결정 소재 및 상기 폴리머 소재는 상기 압전단결정 복합체의 길이 방향으로 번갈아 적층되어 2-2형 압전단결정 복합체 구조인 것을 특징으로 하는,
압전단결정 복합체 음향센서.
The method of claim 1,
Characterized in that the piezoelectric single crystal material and the polymer material are alternately laminated in the longitudinal direction of the piezoelectric single crystal composite to form a type 2-2 piezoelectric single crystal composite structure,
Piezoelectric single crystal composite acoustic sensor.
청구항 2에 있어서,
상기 압전단결정 소재는 결정방향의 밀러지수(Miller Indies)가 <011>로 분극된 것을 특징으로 하는,
압전단결정 복합체 음향센서.
The method of claim 2,
The piezoelectric single crystal material is characterized in that the Miller Indies in the crystal direction are polarized to <011>.
Piezoelectric single crystal composite acoustic sensor.
청구항 3에 있어서,
상기 압전단결정 소재는 PMN-PT(Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbTiO3), PIN-PMN-PT (Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbTiO3), Mn:PIN-PMN-PT (Mn doped Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbTiO3), PMN-PZT(Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbZrO3-PbTiO3) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
압전단결정 복합체 음향센서.
The method of claim 3,
The piezoelectric single crystal material is PMN-PT (Pb(Mg 2/3 Nb 1/3 )O 3 -PbTiO 3 ), PIN-PMN-PT (Pb(In 1/2 Nb 1/2 )O 3 -Pb(Mg 2/3 Nb 1/3 )O 3 -PbTiO 3 ), Mn:PIN-PMN-PT (Mn doped Pb(In 1/2 Nb 1/2 )O 3 -Pb(Mg 2/3 Nb 1/3 ) O 3 -PbTiO 3 ), PMN-PZT (Pb (Mg 2/3 Nb 1/3 ) O 3 -PbZrO 3 -PbTiO 3 ) Characterized in that any one of,
Piezoelectric single crystal composite acoustic sensor.
청구항 4에 있어서,
상기 정형판은 평판형 구조를 가지는 것을 특징으로 하는,
압전단결정 복합체 음향센서.
The method of claim 4,
Characterized in that the shape plate has a flat structure,
Piezoelectric single crystal composite acoustic sensor.
청구항 5에 있어서,
상기 하드배플은 입력 음파의 1/4 파장을 두께로 가지는 블록 구조인 것을 특징으로 하는,
압전단결정 복합체 음향센서.
The method of claim 5,
Characterized in that the hard baffle has a block structure having a thickness of 1/4 wavelength of the input sound wave,
Piezoelectric single crystal composite acoustic sensor.
청구항 5에 있어서,
상기 하드배플은 입력 음파의 1/4 파장을 두께로 가지는 블록 구조이고, 하면으로부터 상방향으로 그루브(groove)가 형성된 것을 특징으로 하는,
압전단결정 복합체 음향센서.
The method of claim 5,
The hard baffle has a block structure having a thickness of 1/4 wavelength of an input sound wave, and a groove is formed upward from the bottom surface.
Piezoelectric single crystal composite acoustic sensor.
청구항 5에 있어서,
상기 하드배플은 입력 음파의 1/2 파장을 두께로 가지는 블록 구조인 것을 특징으로 하는,
압전단결정 복합체 음향센서.
The method of claim 5,
Characterized in that the hard baffle has a block structure having a thickness of 1/2 wavelength of the input sound wave,
Piezoelectric single crystal composite acoustic sensor.
청구항 4에 있어서,
상기 정형판은 평판형 구조 상에 복수 개의 딤플(dimple)이 형성된 것을 특징으로 하는,
압전단결정 복합체 음향센서.
The method of claim 4,
The shaping plate is characterized in that a plurality of dimples are formed on a flat plate structure,
Piezoelectric single crystal composite acoustic sensor.
청구항 9에 있어서,
상기 하드배플은 입력 음파의 1/4 파장을 두께로 가지는 블록 구조인 것을 특징으로 하는,
압전단결정 복합체 음향센서.
The method of claim 9,
Characterized in that the hard baffle has a block structure having a thickness of 1/4 wavelength of the input sound wave,
Piezoelectric single crystal composite acoustic sensor.
청구항 9에 있어서,
상기 하드배플은 입력 음파의 1/4 파장을 두께로 가지는 블록 구조이고, 하면으로부터 상방향으로 그루브(groove)가 형성된 것을 특징으로 하는,
압전단결정 복합체 음향센서.
The method of claim 9,
The hard baffle has a block structure having a thickness of 1/4 wavelength of an input sound wave, and a groove is formed upward from the bottom surface.
Piezoelectric single crystal composite acoustic sensor.
청구항 9에 있어서,
상기 하드배플은 입력 음파의 1/2 파장을 두께로 가지는 블록 구조인 것을 특징으로 하는,
압전단결정 복합체 음향센서.
The method of claim 9,
Characterized in that the hard baffle has a block structure having a thickness of 1/2 wavelength of the input sound wave,
Piezoelectric single crystal composite acoustic sensor.
청구항 4에 있어서,
상기 정형판은 제1 소재와 제2 소재가 상기 정형판의 폭 방향으로 번갈아 배열되고, 상기 제2 소재는 상기 제1 소재보다 강성이 낮은 폴리머 재질인 것을 특징으로 하는,
압전단결정 복합체 음향센서.
The method of claim 4,
The shaping plate is characterized in that a first material and a second material are alternately arranged in the width direction of the shaping plate, and the second material is a polymer material having lower rigidity than the first material.
Piezoelectric single crystal composite acoustic sensor.
청구항 13에 있어서,
상기 하드배플은 입력 음파의 1/4 파장을 두께로 가지는 블록 구조인 것을 특징으로 하는,
압전단결정 복합체 음향센서.
The method of claim 13,
Characterized in that the hard baffle has a block structure having a thickness of 1/4 wavelength of the input sound wave,
Piezoelectric single crystal composite acoustic sensor.
청구항 13에 있어서,
상기 하드배플은 입력 음파의 1/4 파장을 두께로 가지는 블록 구조이고, 하면으로부터 상방향으로 그루브(groove)가 형성된 것을 특징으로 하는,
압전단결정 복합체 음향센서.
The method of claim 13,
The hard baffle has a block structure having a thickness of 1/4 wavelength of an input sound wave, and a groove is formed upward from the bottom surface.
Piezoelectric single crystal composite acoustic sensor.
삭제delete 압전단결정 소재 및 폴리머 소재를 포함하는 압전단결정 복합체, 상기 압전단결정 복합체의 상면과 하면에 면접하는 정형판 및 상기 압전단결정 복합체의 하면에 면접하는 하부 정형판의 하면에 면접하는 하드배플(baffle)을 포함하는 복수 개의 압전단결정 복합체 음향센서; 및
일 면에 복수 개의 음향센서 정렬홈이 형성되어, 복수 개의 상기 압전단결정 복합체 음향센서가 상기 음향센서 정렬홈에 각각 장착되는 마운트를 포함하는,
배열 음향센서.
A piezoelectric single crystal composite including a piezoelectric single crystal material and a polymer material, a piezoelectric single crystal composite for interviewing the upper and lower surfaces of the piezoelectric single crystal composite, and a hard baffle for interviewing the lower surface of the lower shaping plate for interviewing with the lower surface of the piezoelectric single crystal composite. A plurality of piezoelectric single crystal composite acoustic sensors comprising; and
A plurality of acoustic sensor alignment grooves are formed on one surface, and a mount to which a plurality of the piezoelectric single crystal composite acoustic sensors are mounted in the acoustic sensor alignment grooves, respectively,
array acoustic sensor.
청구항 17에 있어서,
상기 압전단결정 소재 및 상기 폴리머 소재는 상기 압전단결정 복합체의 길이 방향으로 번갈아 적층되어 2-2형 압전단결정 복합체 구조인 것을 특징으로 하는,
배열 음향센서.
The method of claim 17
Characterized in that the piezoelectric single crystal material and the polymer material are alternately laminated in the longitudinal direction of the piezoelectric single crystal composite to form a type 2-2 piezoelectric single crystal composite structure,
array acoustic sensor.
청구항 18에 있어서,
상기 압전단결정 소재는 결정방향의 밀러지수(Miller Indies)가 <011>로 분극된 것을 특징으로 하는,
배열 음향센서.
The method of claim 18
The piezoelectric single crystal material is characterized in that the Miller Indies in the crystal direction are polarized to <011>.
array acoustic sensor.
청구항 19에 있어서,
상기 압전단결정 소재는 PMN-PT(Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbTiO3), PIN-PMN-PT (Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbTiO3), Mn:PIN-PMN-PT (Mn doped Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbTiO3), PMN-PZT(Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbZrO3-PbTiO3) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
배열 음향센서.
The method of claim 19
The piezoelectric single crystal material is PMN-PT (Pb(Mg 2/3 Nb 1/3 )O 3 -PbTiO 3 ), PIN-PMN-PT (Pb(In 1/2 Nb 1/2 )O 3 -Pb(Mg 2/3 Nb 1/3 )O 3 -PbTiO 3 ), Mn:PIN-PMN-PT (Mn doped Pb(In 1/2 Nb 1/2 )O 3 -Pb(Mg 2/3 Nb 1/3 ) O 3 -PbTiO 3 ), PMN-PZT (Pb (Mg 2/3 Nb 1/3 ) O 3 -PbZrO 3 -PbTiO 3 ) Characterized in that any one of,
array acoustic sensor.
청구항 20에 있어서,
상기 정형판은 평판형 구조를 가지는 것을 특징으로 하는,
배열 음향센서.
The method of claim 20
Characterized in that the shape plate has a flat structure,
array acoustic sensor.
청구항 21에 있어서,
상기 하드배플은 입력 음파의 1/4 파장을 두께로 가지는 블록 구조인 것을 특징으로 하는,
배열 음향센서.
The method of claim 21,
Characterized in that the hard baffle has a block structure having a thickness of 1/4 wavelength of the input sound wave,
array acoustic sensor.
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