KR102675960B1 - Piezoelectric sensor - Google Patents
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Abstract
압전소자는 인가된 압력에 반응하여 전기신호를 생성하는 것이나, 압력 인가 방향 별 전압 생성 특성이 상이하여 상호 간섭이 발생할 수 있다. 이로 인해 기존의 압전소자는 재료의 모든 면에 동시에 인가되는 압력을 센싱하는 환경에 적용하기에는 효과적이지 않았다. 이러한 압전소자의 단점을 개선하기 위해 복수의 압전소자와 폴리머를 배치한 압전센서가 있었다. 하지만 폴리머 및 압전기둥 사이 공진에 따른 필터링 효과가 나타나는 고주파 대역에서만 효과가 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 압전센서에 기공 또는 보강판을 포함함으로써 모든 방향으로 들어오는 외부압력을 민감하게 센싱할 수 있는 압전센서이다. 이때 외부압력은 고주파수 대역과 저주파수 대역을 포함한 광범위 대역의 주파수이다.Piezoelectric elements generate electrical signals in response to applied pressure, but voltage generation characteristics are different depending on the direction of pressure application, so mutual interference may occur. Because of this, existing piezoelectric elements were not effective in applications that sense pressure applied to all surfaces of a material simultaneously. To improve these shortcomings of piezoelectric elements, there was a piezoelectric sensor in which multiple piezoelectric elements and polymers were arranged. However, it was effective only in the high frequency band, where the filtering effect due to resonance between the polymer and piezoelectric pillars appears.
The present invention was proposed to solve this problem, and is a piezoelectric sensor that can sensitively sense external pressure coming from all directions by including pores or reinforcing plates in the piezoelectric sensor. At this time, the external pressure is a wide range of frequencies, including high-frequency bands and low-frequency bands.
Description
본 발명은 단일 압전소자가 가지는 특징을 잘 활용하되 단점을 극복하여, 모든 방향에서 압력이 가해지는 환경에서도 민감하게 센싱할 수 있는 광대역의 압전센서에 관한 것이다.The present invention relates to a broadband piezoelectric sensor that utilizes the characteristics of a single piezoelectric element but overcomes its shortcomings, enabling sensitive sensing even in an environment where pressure is applied from all directions.
압전소자(압전세라믹, 압전단결정 등)를 이용한 압전센서는 인가된 압력에 반응하여 전기신호를 생성하는 센서이다. 기존의 압전센서의 경우 다양한 방향에서 외부 압력이 들어오는 경우 전압발생이 거의 없게 되어 민감한 감도의 센싱이 어려워지기도 한다. 따라서 이러한 문제점을 해결하여 두께방향압력 뿐만 아니라 평면방향압력을 포함한 모든방향압력에 대해서도 광범위한 주파수 대역에서 민감하게 탐지가 가능한 새로운 구조의 압전센서가 필요한 것이다.A piezoelectric sensor using a piezoelectric element (piezoelectric ceramic, piezoelectric single crystal, etc.) is a sensor that generates an electric signal in response to applied pressure. In the case of existing piezoelectric sensors, when external pressure comes from various directions, little voltage is generated, making sensitive sensing difficult. Therefore, to solve these problems, a piezoelectric sensor with a new structure is needed that can sensitively detect not only thickness direction pressure but also pressure in all directions, including plane direction pressure, in a wide frequency band.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.The matters described as background technology above are only for the purpose of improving understanding of the background of the present invention, and should not be taken as recognition that they correspond to prior art already known to those skilled in the art.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것이다. 압전센서에 기공 또는 보강판을 포함함으로써 모든 방향에서 들어오는 광범위한 주파수 대역의 외부압력에 대해 민감한 센싱이 가능하게 되는 것이다.The present invention was proposed to solve this problem. By including pores or reinforcing plates in the piezoelectric sensor, sensitive sensing of external pressure in a wide frequency band coming from all directions becomes possible.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압전센서는, 외부 압력을 전기신호로 변환하는 복수의 압전소자; 복수의 압전소자 사이의 이격된 공간을 채우는 폴리머; 폴리머의 내부에 상호 이격되어 형성된 복수의 기공; 복수의 압전소자 및 상기 폴리머의 상단 또는 하단 중 적어도 하나 이상을 커버링하도록 결합된 보강판; 및 복수의 압전소자에 연결되어 전기신호를 받는 전극판; 을 포함한다.A piezoelectric sensor according to the present invention for achieving the above object includes a plurality of piezoelectric elements that convert external pressure into electrical signals; A polymer that fills the space between the plurality of piezoelectric elements; A plurality of pores spaced apart from each other formed inside the polymer; A plurality of piezoelectric elements and a reinforcing plate combined to cover at least one of the top or bottom of the polymer; and an electrode plate connected to a plurality of piezoelectric elements to receive an electrical signal. Includes.
압전소자의 형태는 상하방향으로 연장된 기둥형태일 수 있다. 또한 압전소자의 배치는 매트릭스형태로 배치될 수 있으며, 하나의 압전소자를 도형의 꼭지점으로 하는 방식으로 배치될 수 있다.The shape of the piezoelectric element may be in the form of a pillar extending in the vertical direction. Additionally, the piezoelectric elements may be arranged in a matrix form, with one piezoelectric element being the vertex of the figure.
기공은 압전소자와 접촉되지 않도록 배치될 수 있다. 기공의 형태는 상하방향으로 연장한 기둥형태 일 수 있다. 또한 기공의 위치는 매트릭스 형태를 이루며 배치된 복수의 압전소자의 가운데에 위치할 수 있으며, 압전소자가 꼭지점을 이루는 다각형의 중심에 배치될 수 있다. 또한 기공의 직경은 하나의 압전소자의 직경보다 작을 수 있다.The pores may be arranged so as not to contact the piezoelectric element. The shape of the pore may be a column extending in the vertical direction. Additionally, the position of the pore may be located in the center of a plurality of piezoelectric elements arranged in a matrix form, and the piezoelectric element may be placed in the center of a polygon forming a vertex. Additionally, the diameter of the pore may be smaller than the diameter of one piezoelectric element.
보강판은 압전소자와 폴리머의 상단 또는 하단 중 적어도 하나 이상을 커버링 하도록 결합할 수 있다. 또한 압전소자와 폴리머를 위아래로 포위하여 외부로 노출시키지 않고, 폴리머의 측면부만 노출하는 방식으로 결합할 수 있다.The reinforcement plate may be combined to cover at least one of the top or bottom of the piezoelectric element and the polymer. In addition, the piezoelectric element and the polymer can be combined in a way that exposes only the side portion of the polymer, rather than surrounding it from top to bottom and exposing it to the outside.
전극판은 압전소자가 발생시키는 전기신호를 받아 외부 혹은 그 신호가 필요한 곳으로 전달할 수 있다.The electrode plate can receive the electrical signal generated by the piezoelectric element and transmit it to the outside or where the signal is needed.
본 발명의 압전센서를 이용하면 모든 방향에서 외부 압력이 인가되는 경우에도 고주파 대역뿐만 아니라 저주파 대역을 포함한 광범위 주파수 대역에서 민감한 감도의 센싱이 가능하다.Using the piezoelectric sensor of the present invention, sensitive sensing is possible in a wide frequency band, including low frequency bands as well as high frequency bands, even when external pressure is applied from all directions.
도 1 과 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전센서의 구성도.
도 3 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전센서의 작동방식을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예와 종래기술간의 외부 신호의 주파수대역에 있어 음향수신감도를 비교한 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전센서와 이를 이용한 다채널 판형 음향센서.1 and 2 are configuration diagrams of a piezoelectric sensor according to an embodiment of the present invention.
3 to 5 are diagrams showing the operation method of a piezoelectric sensor according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a graph comparing sound reception sensitivity in the frequency band of an external signal between an embodiment of the present invention and the prior art.
Figure 7 shows a piezoelectric sensor according to an embodiment of the present invention and a multi-channel plate-type acoustic sensor using the same.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. Hereinafter, embodiments disclosed in the present specification will be described in detail with reference to the attached drawings. However, identical or similar components will be assigned the same reference numbers regardless of reference numerals, and duplicate descriptions thereof will be omitted.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. In describing the embodiments disclosed in this specification, if it is determined that detailed descriptions of related known technologies may obscure the gist of the embodiments disclosed in this specification, the detailed descriptions will be omitted. In addition, the attached drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in this specification, and the technical idea disclosed in this specification is not limited by the attached drawings, and all changes included in the spirit and technical scope of the present invention are not limited. , should be understood to include equivalents or substitutes.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.
본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In this specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
하기의 종래기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.The matters described below as prior art are only for the purpose of improving understanding of the background of the present invention, and should not be taken as admission that they correspond to prior art already known to those skilled in the art.
도 1 내지 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전센서의 구성도이다. 도 3 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전센서의 작동방식을 나타낸 도면이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예와 종래기술간의 외부 압력의 주파수대역에 있어 음향수신감도를 비교한 그래프이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전센서이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전센서를 이용한 다채널 판형 음향센서이다.1 to 2 are schematic diagrams of a piezoelectric sensor according to an embodiment of the present invention. 3 to 5 are diagrams showing the operation method of a piezoelectric sensor according to an embodiment of the present invention. Figure 6 is a graph comparing sound reception sensitivity in the frequency band of external pressure between an embodiment of the present invention and the prior art. Figure 7 is a piezoelectric sensor according to an embodiment of the present invention. Figure 8 is a multi-channel plate-type acoustic sensor using a piezoelectric sensor according to an embodiment of the present invention.
도 1 내지 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전센서의 구성도로써, 본 발명의 압전센서는 기공 또는 보강판 둘 중 어느 하나 이상을 포함함으로써 모든 방향의 외부 압력에 대해 민감한 감도를 가진다. 본 발명의 압전센서는 고주파 대역뿐만 아니라 저주파 대역을 포함한 광범위 주파수 대역에서 효과적으로 전기신호를 얻을 수 있다. 그리고 이러한 특성에 따라 본 발명의 압전센서는 다채널 판형 음향센서 구현에 적합할 수 있다.1 and 2 are diagrams showing the configuration of a piezoelectric sensor according to an embodiment of the present invention. The piezoelectric sensor of the present invention includes at least one of pores and a reinforcing plate, and thus has high sensitivity to external pressure in all directions. The piezoelectric sensor of the present invention can effectively obtain electrical signals in a wide frequency band, including low frequency bands as well as high frequency bands. And according to these characteristics, the piezoelectric sensor of the present invention may be suitable for implementing a multi-channel plate-type acoustic sensor.
압전소자(압전세라믹, 압전단결정 등)를 이용한 압전센서는 인가된 압력에 반응하여 전기신호를 생성하는 센서이다. 두께가 감소하는 방향으로 외부 압력이 작용하는 경우 (-)전압이 발생하고, 두께가 증가하는 방향으로 외부 압력이 작용하는 경우 (+)전압이 발생한다.A piezoelectric sensor using a piezoelectric element (piezoelectric ceramic, piezoelectric single crystal, etc.) is a sensor that generates an electric signal in response to applied pressure. When external pressure acts in the direction of decreasing thickness, a (-) voltage is generated, and when external pressure is applied in the direction of increasing thickness, (+) voltage is generated.
이로 인해 전극판 사이에 단일의 압전소자가 배치된 일반적인 압전센서(이하, 종래기술1 이라 함)는 두께방향으로 외부 압력이 가해지는 경우, 두께가 감소하여 (-)전압이 발생한다. 평면방향으로 외부 압력이 가해지는 경우, 두께가 증가하여 (+)전압이 발생한다. 압전소자에 모든방향압력이 인가되는 경우는 두께방향 외부 압력에 의한 (+)전압, 평면방향 외부 압력으로 인한 (-)전압이 발생한다. 이러한 반대의 두 전압은 서로 간섭하여 압전소자에 모든방향압력이 인가되는 경우 전압발생이 거의 없게 된다.For this reason, in a general piezoelectric sensor in which a single piezoelectric element is placed between electrode plates (hereinafter referred to as prior art 1), when external pressure is applied in the thickness direction, the thickness decreases and a (-) voltage is generated. When external pressure is applied in the plane direction, the thickness increases and a (+) voltage is generated. When pressure in all directions is applied to the piezoelectric element, a (+) voltage is generated due to external pressure in the thickness direction and a (-) voltage is generated due to external pressure in the plane direction. These two opposing voltages interfere with each other, so that when pressure in all directions is applied to the piezoelectric element, almost no voltage is generated.
따라서 전극판 사이에 단일한 압전소자를 배치한 압전센서(종래기술 1)는 모든 방향에서 들어오는 압력에 대해서 저주파 대역과 고주파 대역 모두에서 민감하게 센싱할 수 없는 문제점이 있었다.Therefore, the piezoelectric sensor (Prior Art 1), which has a single piezoelectric element placed between electrode plates, had a problem in that it could not sensitively sense pressure coming from all directions in both the low-frequency band and the high-frequency band.
이를 해결하기 위해 전극판 사이에 복수의 압전소자를 이격하여 배치하고, 그 사이 상호 이격된 공간을 폴리머로 채운 압전센서(이하 종래기술 2이라 함)를 구상할 수 있다. 이때 평면방향으로 압력에 대한 반응은 두가지로 나뉜다. 평면방향의 압력이 고주파 대역인 경우, 압전소자와 폴리머 사이의 공진효과가 발생한다. 평면방향 압력이 완화되고 압전소자의 두께는 크게 증가하지 않는다. 따라서 전압발생이 거의 없게 된다. 평면방향 압력이 저주파 대역인 경우, 압전소자와 폴리머 사이의 공진효과는 크지 않다. 평면방향 압력은 완화되지 않고 압전소자의 두께는 증가한다. 따라서 (+)전압이 발생하게 된다.To solve this problem, a piezoelectric sensor (hereinafter referred to as prior art 2) can be designed by arranging a plurality of piezoelectric elements spaced apart between electrode plates and filling the spaces spaced apart from each other with polymer. At this time, the response to pressure in the plane direction is divided into two types. When the pressure in the plane direction is in the high frequency range, a resonance effect occurs between the piezoelectric element and the polymer. The pressure in the plane direction is relieved and the thickness of the piezoelectric element does not increase significantly. Therefore, almost no voltage is generated. When the pressure in the plane direction is in the low frequency range, the resonance effect between the piezoelectric element and the polymer is not significant. The pressure in the plane direction is not relieved and the thickness of the piezoelectric element increases. Therefore, (+) voltage is generated.
고주파 대역의 두께방향압력이 인가되는 경우 압전소자의 두께가 감소하여 (-)전압이 발생하게 된다. 고주파 대역의 평면방향압력이 인가되는 경우는 압전소자와 폴리머의 공진효과로 평면방향압력이 완화된다. 압전소자의 두께는 크게 증가하지 않고 전압 발생이 거의 없게 된다. 고주파 대역의 모든방향압력이 인가되는 경우는 평면방향압력은 완화되고 두께방향압력만 남게된다. 압전소자의 두께가 감소하고 (-)전압이 발생하게 된다.When thickness direction pressure in the high frequency band is applied, the thickness of the piezoelectric element decreases and a (-) voltage is generated. When planar pressure in the high frequency band is applied, the planar pressure is relieved by the resonance effect of the piezoelectric element and polymer. The thickness of the piezoelectric element does not increase significantly and almost no voltage is generated. When pressure in all directions in the high frequency band is applied, the pressure in the plane direction is relieved and only the pressure in the thickness direction remains. The thickness of the piezoelectric element decreases and (-) voltage is generated.
저주파 대역의 두께방향압력이 인가되는 경우는 전극판 사이에 단일한 압전소자를 배치한 경우와 같다.The case where thickness direction pressure in the low frequency band is applied is the same as the case where a single piezoelectric element is placed between electrode plates.
따라서 위와 같은 전극판 사이에 복수의 압전소자를 이격하여 배치하고, 그 사이 상호 이격된 공간을 폴리머로 채운 압전센서(종래기술2)는 고주파 대역에서는 모든방향압력에 대해 민감하게 센싱할 수 있지만, 저주파 대역에 대해서는 민감하게 센싱할 수 없다.Therefore, a piezoelectric sensor (prior art 2) in which a plurality of piezoelectric elements are placed spaced apart between the electrode plates as above and the spaces spaced apart from each other are filled with polymer can sensitively sense pressure in all directions in the high frequency band. It is not possible to sense sensitively in the low frequency band.
이러한 고주파 대역에서만 민감하게 센싱할 수 있고 저주파 대역에서는 민감하게 센싱할 수 없는 문제점을 해결하기 위해 새로운 압전센서를 구상할 필요가 있다. 이를 해결하기 위해 전극판 사이에 복수의 압전소자를 이격하여 배치하고, 그 사이 상호 이격된 공간을 폴리머로 채우고 추가적으로 폴리머의 내부에 상호 이격되어 형성된 복수의 기공을 추가로 포함하는 압전센서를 구상(이하 본 발명이라 함)할 수 있다.It is necessary to design a new piezoelectric sensor to solve the problem of being able to sense sensitively only in the high frequency band and not in the low frequency band. To solve this problem, a piezoelectric sensor is designed by arranging a plurality of piezoelectric elements spaced apart between electrode plates, filling the space between them with polymer, and additionally including a plurality of pores spaced apart from each other inside the polymer. Hereinafter referred to as the present invention).
이와 같은 압전센서에서 기공은 다음과 같은 역할을 할 수 있다. 평면방향의 압력이 작용하는 경우는 기공의 형태가 변화된다. 이를 통해 기공은 압전소자에 가해지는 평면방향 압력을 완화한다. 압전소자는 두께방향 증가량이 거의 없게 되고 전압 발생을 거의 하지 않게 된다. 이는 외부 압력의 주파수와 무관하다.In such a piezoelectric sensor, pores can play the following roles. When pressure in the plane direction is applied, the shape of the pore changes. Through this, the pores relieve the planar pressure applied to the piezoelectric element. The piezoelectric element has little increase in the thickness direction and almost no voltage generation. This is independent of the frequency of external pressure.
이때 기공이 평면방향압력을 더 잘 완화하기 위한 기공의 형상을 고려할 수 있다. 또한 기공과 압전소자 간의 배치를 고려할 수 있다. 기공은 상하로 연장된 기둥 형상일 수 있다. 평면방향의 기공은 복수개의 압전소자와 접촉하지 않도록 배치될 수 있다. 압전소자는 매트릭스 형태로 규칙적으로 배치되고 기공은 그 사이를 채우는 방식으로 배치될 수 있다. 압전소자는 다각형의 꼭지점을 이루도록 배치되고 기공은 그 다각형의 중심에 배치되는 방식으로 배치될 수 있다.At this time, the shape of the pores can be considered to better relieve the plane pressure. Additionally, the arrangement between the pore and the piezoelectric element can be considered. The pores may have a pillar shape extending up and down. The pores in the plane direction may be arranged so as not to contact the plurality of piezoelectric elements. Piezoelectric elements may be arranged regularly in a matrix form and pores may be arranged to fill the spaces between them. The piezoelectric element may be arranged in such a way that it forms the vertex of the polygon and the pore may be arranged in the center of the polygon.
이러한 기공이 적용된 본 발명에 외부압력이 적용되는 경우를 생각할 수 있다. 두께방향압력이 작용하는 경우 압전소자가 두께방향으로 감소한다. 따라서 (-)전압이 발생하게된다. 평면방향압력이 작용하는 경우 기공이 압전소자에 가해지는 평면방향압력을 완화한다. 따라서 압전소자의 두께방향 증가량은 거의 없고 따라서 전압발생이 거의 없다. 모든방향압력이 작용하는 경우 두께방향압력은 압전소자에 인가된다. 평면방향압력은 기공에 의해 완화한다. 따라서 압전소자에 두께방향 압력만이 작용한다. 압전소자의 두께가 감소하고 (-)전압이 발생된다. 이는 외부 압력의 주파수 대역과 무관하다. It is conceivable that external pressure is applied to the present invention to which such pores are applied. When thickness direction pressure is applied, the piezoelectric element decreases in the thickness direction. Therefore, (-) voltage is generated. When plane pressure is applied, the pores relieve the plane pressure applied to the piezoelectric element. Therefore, there is little increase in the thickness direction of the piezoelectric element, and therefore little voltage is generated. When pressure in all directions is applied, pressure in the thickness direction is applied to the piezoelectric element. Plane pressure is relieved by pores. Therefore, only thickness direction pressure acts on the piezoelectric element. The thickness of the piezoelectric element decreases and (-) voltage is generated. This is independent of the frequency band of the external pressure.
또한 추가적으로 보강판을 포함하는 압전센서를 생각할 수 있다. 이와 같은 압전센서는 두께방향압력이 작용하는 경우에 보강판은 압전소자로 응력을 집중시킨다. 따라서 압전소자는 두께방향으로 더 많이 감소한다. 따라서 더 큰 (-)전압이 발생하게된다. 평면방향압력이 작용하는 경우 보강판에 평면방향압력이 인가된다. 압전소자에 인가되는 평면방향압력은 완화된다. 따라서 압전소자의 두께 변화는 거의 없으며 전압발생이 거의 없다. 모든방향압력이 작용하는 경우 두께방향압력은 압전소자에 인가된다. 평면방향압력은 보강판에 의해 완화되어 압전소자에 인가되는 평면방향압력은 거의 없다. 따라서 압전소자는 두께가 감소하고 (-)전압이 발생된다. Additionally, a piezoelectric sensor including a reinforcing plate can be considered. When pressure in the thickness direction of this type of piezoelectric sensor is applied, the reinforcement plate concentrates stress on the piezoelectric element. Therefore, the piezoelectric element decreases more in the thickness direction. Therefore, a larger (-) voltage is generated. When plane direction pressure is applied, plane direction pressure is applied to the reinforcement plate. The planar pressure applied to the piezoelectric element is relieved. Therefore, there is almost no change in the thickness of the piezoelectric element and almost no voltage generation. When pressure in all directions is applied, pressure in the thickness direction is applied to the piezoelectric element. The plane pressure is relieved by the reinforcing plate, so there is almost no plane pressure applied to the piezoelectric element. Therefore, the thickness of the piezoelectric element decreases and (-) voltage is generated.
따라서 본 발명의 압전센서는 모든 방향에서 압력이 인가되는 경우에도 민감하게 센싱할 수 있다. 이때 외부 압력의 주파수 대역은 무관하다. 이는 종래기술들이 가지는 문제점을 해결한 것이다.Therefore, the piezoelectric sensor of the present invention can sense sensitively even when pressure is applied from all directions. At this time, the frequency band of the external pressure is irrelevant. This solves the problems of prior technologies.
구체적으로, 본 발명에 따른 압전센서(1000)는, 상호 이격되도록 마련된 복수의 압전소자(100); 상기 복수개의 압전소자 사이의 이격된 공간을 채우는 폴리머(200); 상기 폴리머의 내부에 상호 이격되어 형성된 복수의 기공(300); 압전소자가 발생시키는 전기신호를 수집하는 전극판(400); 및 압전소자로 응력을 집중 시키는 보강판(500); 을 포함한다.Specifically, the piezoelectric sensor 1000 according to the present invention includes a plurality of piezoelectric elements 100 arranged to be spaced apart from each other; A polymer 200 that fills the space between the plurality of piezoelectric elements; A plurality of pores 300 formed inside the polymer and spaced apart from each other; An electrode plate 400 that collects electrical signals generated by the piezoelectric element; and a reinforcing plate 500 that concentrates stress with a piezoelectric element; Includes.
두께방향압력(A1)이 인가되는 경우, 도 3과 같이 압전소자(100)는 따라 두께가 감소하는 변형이 발생하여 전기신호를 발생시킨다. 이때 보강판(500)은 압전소자(100)에 응력을 집중시켜 압전소자(100)에 두께 감소하는 변형(B1)을 증가시킨다. 이를통해 압전소자(100)에 발생하는 전기신호의 크기를 증대한다.When the thickness direction pressure (A1) is applied, as shown in FIG. 3, the piezoelectric element 100 undergoes deformation in which the thickness decreases, thereby generating an electric signal. At this time, the reinforcement plate 500 concentrates stress on the piezoelectric element 100 to increase the strain B1, which decreases the thickness of the piezoelectric element 100. Through this, the size of the electric signal generated in the piezoelectric element 100 is increased.
평면방향압력(A2)이 인가되는 경우, 도 4와 같이 기공(200)과 보강판(500)에 평면방향압력이 인가된다. 이로인해 압전소자(100)에 인가되는 평면방향압력은 완화되고 압전소자의 두께변화는 거의 없다(B2). 따라서 압전소자(100)에서 전기신호가 거의 발생하지 않는다.When the plane direction pressure A2 is applied, the plane direction pressure is applied to the pore 200 and the reinforcement plate 500 as shown in FIG. 4. As a result, the planar pressure applied to the piezoelectric element 100 is relieved and there is almost no change in the thickness of the piezoelectric element (B2). Therefore, almost no electrical signal is generated from the piezoelectric element 100.
모든방향압력(A1, A2)이 인가되는 경우, 도 5와 같이 기공(200)과 보강판(500)에 평면방향압력이 인가된다. 이로인해 압전소자(100)에 인가되는 평면방향압력은 완화되고 두께방향압력이 인가된다. 따라서 압전소자에 두께가 감소하는 변형(B3)이 발생하여 전기신호를 발생시킨다.When pressure in all directions (A1, A2) is applied, pressure in the plane direction is applied to the pore 200 and the reinforcement plate 500, as shown in FIG. 5. As a result, the plane direction pressure applied to the piezoelectric element 100 is relieved and the thickness direction pressure is applied. Therefore, a deformation (B3) in which the thickness of the piezoelectric element decreases occurs and an electric signal is generated.
본 발명의 압전센서는 이러한 특징으로 인해 모든 방향에서 압력이 인가되는 경우에도 민감하게 센싱할 수 있다. 이는 외부 압력의 주파수 대역에 무관하다. 이는 도 6의 그래프에서도 확인할 수 있다.Due to these characteristics, the piezoelectric sensor of the present invention can sense sensitively even when pressure is applied from all directions. This is independent of the frequency band of the external pressure. This can also be confirmed in the graph of FIG. 6.
또한 도 7 과 같은, 재료의 모든 면에 동시에 인가되는 음압을 센싱하는 다채널 판형 음향센서(2000)를 구현할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 7, a multi-channel plate-type acoustic sensor 2000 that senses sound pressure applied to all surfaces of the material simultaneously can be implemented.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Although the present invention has been shown and described in relation to specific embodiments, it is known in the art that the present invention can be modified and changed in various ways without departing from the technical spirit of the present invention as provided by the following claims. This will be self-evident to those with ordinary knowledge.
100: 압전소자 200: 폴리머
300: 기공 400: 전극판
500: 보강판 1000: 압전센서
2000: 다채널 판형 음향센서
A1: 두께방향압력 A2: 평면방향압력
B1: 두께방향압력이 작용할 때 압전소자의 두께방향 변화량
B2: 평면방향압력이 작용할 때 압전소자의 두께방향 변화량
B3: 모든방향압력이 작용할 때 압전소자의 두께방향 변화량100: Piezoelectric element 200: Polymer
300: pore 400: electrode plate
500: Reinforcement plate 1000: Piezoelectric sensor
2000: Multi-channel plate acoustic sensor
A1: Thickness direction pressure A2: Plane direction pressure
B1: Change in thickness direction of piezoelectric element when thickness direction pressure is applied
B2: Change in thickness direction of piezoelectric element when plane direction pressure is applied
B3: Change in thickness direction of piezoelectric element when pressure in all directions is applied
Claims (10)
상기 복수의 압전소자 사이의 이격된 공간을 채우는 폴리머;
상기 폴리머의 내부에 상호 이격되어 형성된 복수의 기공; 및
상기 복수의 압전소자 및 상기 폴리머의 상단 또는 하단 중 적어도 하나 이상을 커버링하도록 결합된 보강판;
을 포함하고,
상기 압전소자는 상기 폴리머에 의해 포위되며, 상기 기공은 상기 압전소자와 접촉되지 않도록 상기 폴리머의 내부에 배치되고,
상기 복수의 압전소자는 매트릭스 형태로 배열되며, 상기 기공은 인접한 4개의 상기 압전소자의 사이 지점에 배치되고,
상기 복수의 기공은 매트릭스 형태로 배열되며, 상기 압전소자는 인접한 4개의 상기 기공의 사이 지점에 배치되고,
상기 복수의 압전소자는 상하방향으로 연장된 기둥 형상이며, 상기 기공은 인접한 압전소자의 사이에 배치되어 상하방향으로 연장된 기둥 형상이고,
상기 기공은 그 직경이 상기 압전소자의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 압전센서.A plurality of piezoelectric elements arranged to be spaced apart from each other;
a polymer that fills the space between the plurality of piezoelectric elements;
a plurality of pores spaced apart from each other formed inside the polymer; and
a reinforcing plate coupled to cover at least one of the plurality of piezoelectric elements and the top or bottom of the polymer;
Including,
The piezoelectric element is surrounded by the polymer, and the pore is disposed inside the polymer so as not to contact the piezoelectric element,
The plurality of piezoelectric elements are arranged in a matrix form, and the pores are arranged at points between the four adjacent piezoelectric elements,
The plurality of pores are arranged in a matrix form, and the piezoelectric element is disposed at a point between four adjacent pores,
The plurality of piezoelectric elements have a pillar shape extending in the vertical direction, and the pores are arranged between adjacent piezoelectric elements and have a pillar shape extending in the vertical direction,
A piezoelectric sensor, characterized in that the diameter of the pore is smaller than the diameter of the piezoelectric element.
상기 복수의 압전소자는 인접한 압전소자들이 다각형의 꼭지점을 이루도록 배치되고, 상기 기공은 인접한 압전소자들이 이루는 다각형의 중심부에 배치된 것을 특징으로 하는 압전센서.In claim 1,
The plurality of piezoelectric elements are arranged so that adjacent piezoelectric elements form vertices of a polygon, and the pore is arranged in the center of the polygon formed by the adjacent piezoelectric elements.
상기 복수의 압전소자는 상기 폴리머와 보강판에 포위되어 외부로 노출되지 않고, 상기 폴리머는 측면부가 외부에 노출된 것을 특징으로 하는 압전센서.In claim 1,
A piezoelectric sensor, wherein the plurality of piezoelectric elements are surrounded by the polymer and the reinforcing plate and are not exposed to the outside, and the polymer has a side portion exposed to the outside.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230100714A KR102675960B1 (en) | 2023-08-01 | 2023-08-01 | Piezoelectric sensor |
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012531036A (en) * | 2009-06-19 | 2012-12-06 | ソナベーション， インコーポレイテッド | Method for manufacturing a piezoelectric ceramic body |
| KR101747406B1 (en) * | 2016-01-26 | 2017-06-14 | 한국세라믹기술원 | Piezoelectric Composite Body and Fabrication Method thereof |
| KR20230027581A (en) | 2021-08-19 | 2023-02-28 | 연세대학교 산학협력단 | Horn-haped Piezoelectric Structure |
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2023
- 2023-08-01 KR KR1020230100714A patent/KR102675960B1/en active IP Right Grant
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