KR20170095286A - 천공된 압전 하이드로폰, 복수의 하이드로폰들을 포함하는 안테나 및 상기 하이드로폰을 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 천공된 압전 하이드로폰 및 복수의 하이드로폰들을 포함하는 안테나에 관한 것이다. 하이드로폰은 서로 부착된 층들 (1, 2, 3, 4, 5) 의 스택 (10) 을 포함하고, 층들 (1, 2, 3, 4, 5) 은 적어도 하나의 압전 층 (2, 4) 및 복수의 소위 강성 층들 (1, 3, 5) 을 포함하고, 복수의 층들 중 적어도 2 개는 전극 층들이고, 상기 강성 층들 (1, 3, 5) 은 적층 방향에 수직한 압전 층의 스티프니스보다 큰, 적층 방향 (z) 에 수직한 스티프니스를 갖는다. 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 압전 층 (2, 4) 은 단지 적층 방향 (z) 에서 압전 층 (2, 4) 을 통해 확장하는 천공들 (21) 의 세트를 포함하고, 각각의 천공 (21) 은 상기 강성 층들 (1, 3, 5) 중 2 개의 부분들을 포함하는 폐쇄 엘리먼트들에 의해 실링되고, 상기 2 개의 강성 층들 (1, 3) 은 중앙 영역의 전체 표면에 걸쳐 확장한다.

Description

천공된 압전 하이드로폰, 복수의 하이드로폰들을 포함하는 안테나 및 상기 하이드로폰을 제조하는 방법{PERFORATED PIEZOELECTRIC HYDROPHONE, ANTENNA COMPRISING A PLURALITY OF HYDROPHONES AND METHOD FOR MAKING SAID HYDROPHONE}

본 발명의 분야는 소나 (sonar), 특히 해저 사용을 위해 의도된 어레이들을 수용하는 수동 소나의 분야이다.

소나-검출 어레이들은 복수의 하이드로폰들을 포함한다. 하이드로폰들은, 예를 들어 해저 객체들을 검출하기 위해 사운드 압력을 측정하도록 의도된다. 하이드로폰들은 종래에는, 잠수함 또는 표면 선박의 선체, 또는 선박에 의해 견인되도록 의도된 플루트와 같은 지지 구조체 상에 장착된다. 통상적으로, 하이드로폰은 음향 파장과 비교하여 매우 작은 사이즈이다. 사운드 압력은 정수압 (hydrostatic pressure) 으로 간주될 수 있고, 즉 그 진폭 및 페이즈는 하이드로폰의 모든 면들에 걸쳐 동일하다. 사운드 압력을 전기 신호로 변환하기 위해 압전 재료들이 사용된다. 수중 모드에서, 즉 정상 응력들이 3 개의 방향들에서 동일할 때 그 감도는 일반적으로 열악하다. 대부분의 하이드로폰 설계들은 따라서, 하드웨어가 더 유리한 모드에서 동작하는 것을 허용하기 위해 하나 이상의 방향들에서 응력을 증폭 또는 감소시키는 것에 기초한다. 현재의 기본 센서들은 강성 전극들로서 지칭된 전극들을 갖는 다중층 센서들을 포함한다. 이들 센서들은, 압전 재료, 일반적으로 응력-분극화된 PVDF (polyvinylidene fluoride) 의 가변 개수의 층들, 및 강성 금속, 예를 들어 Al, Cu-Be, 또는 Cu-Sn 으로 제조된 전극들의 스택을 포함한다. 용어 "강성 전극" 은, 압전 층의 평면에서 압전 재료의 층의 스티프니스 (stiffness) 보다 더 높은, 전극 층의 평면에서의 스티프니스를 보이는 전극으로서 이해된다. 이들 강성 전극들의 기능은, 2 개의 결과들을 갖는 PVDF 의 측방 변형을 제한하는 것이다. 먼저, 긍정적인 결과는, 측방 방향에서 인가된 압력으로 인해 PVDF 에서 측방 응력의 실질적인 감소이다. 다른, 부정적인 결과는, 수직 방향에서 인가된 압력으로 인한 측방 응력이 푸아송 효과 (Poisson effect) 때문에 생긴다. 실제로, PVDF 에서의 측방 응력은 따라서 외부 압력에 대하여 대략 20% 까지 감소되고, 수직 응력은 변하지 않고 유지된다. PVDF 재료는 그 후, 두께 모드 (또한, 블로킹 모드로 지칭됨) 에서 동작한다. 감도는 수중 모드에 대하여 2 내지 4　dB 까지 향상된다. PVDF 의 층들은, 압전 재료 및 적어도 하나의 다른 재료를 포함하는 복합 압전 재료와 대조적으로, 균일한 압전 재료, 즉 PVDF 만을 포함하는 재료로 제조된다. 텍스트의 나머지 전체에서, 이 유형의 센서는 "강성 탄성 플레이트들 및 균일한 압전 플레이트들을 갖는 다중층 센서" 로서 지칭될 것이다. 이 유형의 센서는 우수한 감도, 고 레벨의 포화 및 낮은 제조 격차, 직렬 또는 병렬로 반대 극성의 층들을 접속시킴으로써 달성하기에 간단한 가속도 보정, 크고 연속적인 음향 표면들을 제조하기 위한 능력, 매우 낮은 두께, 기계적 증폭의 부재로 인해 잠수될 때 매우 높은 기계적 강건성 및 강도, 적은 수의 부분들과 절차들로 인한 낮은 노동 비용 및 수중 감도와 비교하여 낮은 가속도 감도를 보인다.

이 유형의 하이드로폰의 이점은, 유용한 동작 대역 내 또는 그 부근에서 높은 전기기계적 커플링 계수를 갖는 공진 모드를 갖지 않고, 이에 의해 공진 유도 과전압이 너무 높은 경우 스크램블러의 존재 시에 포화의 위험 및 센서의 수중 감도 (Sh) 의 분산 문제를 회피할 수 있다는 것이다. 센서에서, 벤딩 모드들은 유용한 대역에 존재하지만 이들은 트윈 층 어셈블리, 즉 압전 층이 2 개의 전극들 사이에 샌드위치되는 어셈블리로 인해 매우 낮은 기계적 커플링을 보인다. 또한, 트랜스듀서는 정수압에 매우 강하다; 실제로, 하중은 본질적으로 정역학적 (실질적으로, 3 개의 “‡향들에서 동등함) 이기 때문에, 재료들의 Von Mises 응력은 낮게 유지된다. 디바이스의 동작 주파수 대역에서 또는 부근에서 고 커플링 계수를 갖는 공진 모드들의 이 부재는, 다수의 기본 센서들을 반드시 함께 그룹화하지 않고, 요구된 표면 필터링 효과를 획득하고 또는 우수한 가속도 보정을 획득하는데 일반적으로 4 개가 사용되는 큰 사이즈의 본 발명에 따른 센서들을 생성하는 것을 가능하게 한다. 이것은, 기본 센서들의 상대적 포지셔닝을 위한 추가적인 부분들 및 추가적인 와이어링 절차들에 대한 필요성을 제거함으로써 센서들의 비용들을 낮게 유지하는 것을 가능하게 한다.

현재의 트렌드는, 수동 소나에 의해 추구된 객체들에 의해 방사된 음향 파들의 주파수들을 증가시키는 것이다. 그러나, 다양한 형태들의 셀프-잡음 (하이드로폰-베어링 구조 또는 지지부에 의해 방사된 잡음, 하이드로폰에 대한 물의 직접적인 흐름으로 인한 잡음) 은 주파수와 함께 빠르게 감소하기 때문에, 빔포밍 출력에서의 잡음 레벨은 하이드로폰 채널의 전기적 잡음에 의해 제한되고 있고, 이것은 최저 가능한 전기적 잡음을 갖는 전기음향 트랜스듀서들을 생성하는 것을 필요로 한다. 또한, 기계적 잡음에 대하여 어레이를 고립시키기 위한 디바이스들 (예컨대, 사운드 저해 디바이스들), 또는 적응적 프로세싱 알고리즘들의 증가하는 공통 사용은 또한, 빔포밍 출력에서 기계적 잡음 레벨을 더욱 감소시키는 효과를 갖는다. 부가적으로, 셀프-잡음에서의 감소는, 지지 구조가 마스킹 및/또는 무반향 재료로 코팅되는 경우 더욱 더 중요하고, 이것의 목적은 지지 구조의 음향적 고요함 (지지 구조에 의해 방사된 잡음) 및 잠행 (stealth)(능동 소나에 대하여 타겟 에코들의 방출) 을 개선시키는 것이다. 구체적으로, 이 유형의 코팅은 빔포밍 출력에서 기계적 잡음 레벨을 더욱 더 감소시키고, 이 잡음은 하이드로폰이 고정되거나 또는 낮은 속도로 이동 중일 때 셀프-잡음에 대한 주요 기여자이다. 지지부에서의 반사로 인한 신호 응답 이득의 억제는, 그 만큼 중요한, 등가의 등방성 잡음 레벨의 관점에서 표현된, 전기적 잡음을 감소시키는 것을 필요로 하게 한다.

구체적으로, 등가의 등방성 잡음 레벨의 관점들에서, 하이드로폰의 전기적 잡음은

으로 주어지고, 여기서, N _FV 는 빔포밍 출력에서 전기적 잡음 레벨이고, HG ^A 는 등방성 주변 잡음의 관점에서 하이드로폰의 이득, 즉 직접성 팩터 (DF ) 이며, S _FV 는 어레이 신호의 관점에서 응답 레벨이다. (V ² / Hz 에서) 동일한 레벨의 전기적 잡음에 대해, 신호 응답 (S _FV ) 레벨에서의 감소는, (Pa ² /Hz 의) 등가의 등방성 잡음 관점들에서 표현된 전기적 잡음 (N _FV ) 레벨에서의 증가를 초래하고, 직접성 팩터는 지지부의 코팅에 의해 거의 영향을 받지 않는다.

따라서, 수중 채널의 전기적 잡음의 관점에서 보다 엄격한 요건들을 충족시키는 하이드로폰을 제안하는 것이 필수적이다. 다르게 말하면, 더 높은 주파수들에서 동작을 가능하게 하기 위해 낮은 전기적 잡음을 갖는 하이드로폰을 제안하는 것이 필수적이다. 수중 채널의 전기적 잡음은 주로 Sh²Ch/tan(δ) 의 역수로 주어지는 (등가의 등방성 잡음의 관점에서) 하이드로폰의 전기적 잡음에 의해 결정되고, 여기서 Sh 는 V/μPa 의 관점에서 표현된 수중 감도이고, Ch 는 패럿으로 표현된 커패시턴스이며, tan(δ) 는 유전 손실들이다. 그러나, 균일한 압전 플레이트들을 갖는 다중층 기본 센서의 주요 문제는, PVDF 재료의 유전 손실들이 주파수와 함께 실질적으로 증가하여 기본 센서의 전기적 잡음에서의 증가를 초래한다는 사실에 있다.

수용 가능한 레벨의 전기적 잡음을 획득하기 위해, 통상적인 접근은 활성 재료의 볼륨을 최대화하는 것으로 이루어진다. 이것은, 센서의 면적을 최대화 (커패시턴스 (Ch) 를 증가) 하거나, 또는 PVDF 의 추가적인 층들의 추가를 통해 그 두께를 증가 (Sh 를 증가) 시킴으로써 달성될 수도 있다. 그러나, 이 솔루션은, 요건이 기본 센서의 면적에서의 감소를 수반하기 때문에 최고 주파수들에서 어레이의 각진 커버리지의 관점들에서 이 요건들이 충족되는 것을 허용하지 않는다. 또한, 이 솔루션은, 소정 두께의 볼륨 내에서 센서의 통합에 대한 제약이 충족되는 것을 허용하지 않고, 이것은 PVDF 재료의 두께가 기본 센서의 커패시턴스 또는 감도를 증가시키기 위한 목적을 위해 무기한 증가되는 것을 허용하지 않는다. 이 볼륨-관련 제약은 특히, 지지 구조 상의 수중 감도의 통과대역 때문이다.

압전 재료의 볼륨을 증가시키지 않고 다중층 센서의 전기적 잡음을 개선시키기 위해, 다른 접근은 더 좋은 성능 지수 (단위 볼륨당 Sh²Ch/tan(δ) 의 곱) 를 갖는 재료를 사용하는 것으로 이루어진다. 이들 재료들은 주로 압전 복합물들, 또는 피에조복합물들이고, 이들에 대해 특정 분류 스킴이 존재한다. 압전 복합물들의 분류는 그 지오메트리 보다는 페이즈 토폴로지에 기초한다. 예를 들어, m-n 피에조복합물 (여기서, m ∈ {0,1,2,3} 및 n ∈ {0,1,2,3}) 은 m 방향들을 따라 접속되는 제 1 페이즈 (페이즈 1) 및 n 방향들을 따라 접속되는 제 2 페이즈 (페이즈 2) 의 2-페이즈 복합물을 지칭한다. 접속성은 단지, 하나의 동일한 페이즈의 다양한 도메인들이 접속되는 방향들의 수를 결정한다. 페이즈들의 형상 및 사이즈는 임의적일 수도 있다. 통상적으로, 단지 하나의 페이즈는 압전성이고, 다른 것은 비-압전 고체 또는 유체 재료, 예컨대 폴리머 또는 공기이다. 페이즈 1 은 일반적으로, 압전 재료를 지칭하는데 사용되고, 페이즈 2 는 비-압전 재료를 지칭하는데 사용된다. 소정의 접속성의 피에조복합물에 대해, 피에조재료의 분극 (polarization) 의 방향에 대하여 접속성의 방향들을 따라 다수의 구성들이 가능하다.

고 성능 재료들의 제 1 그룹은, 예를 들어 코폴리머 P(VDF-TrFE) 또는 다공성 PVDF 와 같은 압전 폴리머들로 이루어진다. 코폴리머 P(VDF-TrFE) 는, 약 30% 더 낮은 유전율의 손상에, PVDF 보다 정수압 모드 및 차단 모드에서 약 50% 더 민감한 단일-페이즈 압전 폴리머이다. 다공성 PVDF 는 완전히 캡슐화된 미세 공기 인클루전 (inclusion) 들을 갖는 PVDF 매트릭스로 이루어지는 압전 복합물이다. 다공성 PVDF 는 따라서, 3-0 접속성을 갖는 피에조복합물이다. PVDF 에 미세균열들의 추가는, 약 20% 더 낮은 유전율의 손상에, 정수압 모드에서 재료의 감도를 두 배로 하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 주로 높은 푸아송비로 인해 차단 모드에서는 추가의 개선이 관측되지 않는다. 이들 재료들은, 소정 볼륨에 대해 약간의 dB 만큼 센서의 전기적 잡음을 감소시키는 것을 가능하게 하지만, 대응하여 공급 비용은 증가한다. 또한, 다공성 PVDF 의 정지 압력 저항은 제한되고, 그 특성들은 70 bar 이상으로 비가역적으로 저하된다.

고 성능 재료들의 제 2 그룹은 1-3 복합물 재료들로 이루어진다. 압전 재료의 컬럼들은 층의 평면에 수직하는 분극 방향을 따라 서로 평행하게 포지셔닝되고, 서로로부터 떨어져 이격된다. 컬럼들은, 압전 재료의 스티프니스와 비교하여 낮은 스티프니스를 보이는 폴리머 재료의 매트릭스 내에 임베딩된다. 수직 및 측방 방향들에서 복합물의 유효 기계적 스티프니스는 초기 압전 재료의 스티프니스보다 실질적으로 더 낮다. 강성 전극들의 존재 시에, 이것은 압전 컬럼들에서의 수직 응력이 증폭되고, 전극들의 측방 차단 효과가 강화되며, 유효 푸아송비가 감소되는 것을 초래한다. 유감스럽게도, 이 유형의 복합물에서, 충진제 재료는 플레이트의 측방 면들 상에서 정지 압력에 노출된다. 충진제 재료의 선택은 따라서, 성능과 침수에 대한 저항 간의, 즉 낮은 스티프니스와 높은 항복 세기 간의 절충에서 비롯된다. 잠재적 감도 이득을 제한하고 강성 압전 재료들 (세라믹들 또는 압전 단결정들) 에 대한 적용 분야를 제한하는, 비교적 강성이고 내성인 폴리머들이 따라서, 사용된다. 1-3 복합물들은, 센서의 전기적 잡음이 실질적으로 감소되지만 소정의 두께에서 보통의 감도를 제공하는 것을 허용하고, 이것은 (그 다음에, 주로 사전-증폭 체인의 잡음에 의해 지배된) 전체 채널의 전기적 잡음에 부정적인 영향을 갖는 경향이 있다. 이 현상을 보상하기 위해, 센서의 면적의 일부는 센서의 통합의 용이함의 손상에 대한 감도를 개선시키기 위해 두께에 대해 변경되어야 한다. 2-2, 3-1 또는 3-2 접속성을 갖는 압전 복합물들이 또한, 사용될 수 있다. 그러나, 충진제 재료가 여전히 외부와 연통되고 정지 압력을 받는다는 사실로 인해, 지금까지 탐구된 구성들은 동일한 한계들을 겪는다.

본 발명의 목적은 전술된 결함들 중 일부 또는 모두를 극복하기 위한 것이다.

이를 달성하기 위해, 본 발명의 하나의 청구물은 서로 본딩되는 층들의 스택을 포함하는 푸시-풀 모드로 동작하도록 구성된 하이드로폰이고, 스택은 적층 방향을 따라 생성되고, 이 층들은 적어도 하나의 압전 층 및 강성 층들로 지칭된 복수의 층들을 포함하고, 복수의 층들 중 적어도 2 개는 전극 층들이고, 강성 층들은 적층 방향에 수직하게 스티프니스를 보이고, 이 스티프니스는 적층 방향에 수직한 압전 층의 스티프니스보다 더 높다. 본 발명에 따른 하이드로폰에서, 적어도 하나의 압전 층은 적층 방향을 따라 압전 층을 통과하는 천공들의 세트를 포함하는 중앙 구역을 포함한다. 각각의 천공은 상기 강성 층들 중 2 개의 부분들을 포함하는 폐쇄 엘리먼트들에 의해 견고하게 폐쇄되고, 상기 2 개의 강성 층들은 중앙 구역의 표면 전체 위에서 확장한다.

제공된 솔루션은 균일한 압전 플레이트들을 갖는 다중층 하이드로폰을 그 설계를 수정함으로써 개선시키는 것으로 이루어진다. 보다 구체적으로, 이것은 압전 재료의 층들에 천공들을 제조하는 것에 기초한다. 이들 천공들은, 고체 재료 또는 유체, 예를 들어 가스 또는 심지어 진공일 수도 있는 충진제 재료로 충진된다. 3 개의 방향들을 따라 접속된 층의 압전 재료, 및 적층 방향으로만 접속된 충진제 재료는 3-1 접속성을 갖는 피에조복합물을 형성한다. 천공들의 기능은 천공들에 수직한 방향에서 측방 디커플링을 제공하여, 이에 따라 압전 재료가 균일한 플레이트들을 갖는 다중층 센서에서보다 더 유리한 모드로 동작하는 것을 허용하고 센서의 감도가 개선되는 것을 허용하기 위한 것이다. 또한, 천공들은, 선행하는 효과에 추가되고 센서의 감도가 더욱 더 강화되는 것을 허용하는, 압전 재료의 층들의 면적들에 대한 강성 층들의 면적들의 비율 덕택으로 적층 방향에서 응력 증폭 효과를 제공한다.

본 발명에 따른 센서는 균일한 플레이트들을 갖는 다중층 센서의 동일한 주요 이점들, 즉 동작 주파수 대역에서의 평탄 특성 (flat response), 그 수중 감도와 비교하여 낮은 가속도 감도, 센서의 표면 상의 매우 짧은 파장들을 특징으로 하는 잡음을 필터링하는 것을 가능하게 하는 우수한 표면 필터링, 수중 채널에 용인 가능한 사운드 레벨을 특징으로 하는 고 레벨의 포화, 낮은 제조 격차, 반대칭 압력장에 대한 무감도로 인한 가속도 보정, 반대 극성의 층들의 직렬 또는 병렬 접속에 의한 제조의 간단함, 크고 연속적인 음향 표면들 및 매우 낮은 두께를 제조하기 위한 능력을 보유한다.

제안된 설계 변경은, 사용된 압전 재료의 푸아송 비 및 대칭 유형에 따라 더 또는 덜 중요할 수도 있는, 감도 (Sh) 의 실질적인 증가, 커패시턴스 (Ch) 의 약간의 감소 및 성능 지수 (Sh²Ch/tan(δ)) 에서의 명확한 증가를 초래하고, 그 밖에는 모든 것들이 동등하다. 결과적으로, 본 발명은 전기음향 트랜스듀서의 전기적 잡음에서의 감소를 초래한다. 이 전기적 잡음에서의 감소는, 압전 재료의 볼륨, 특히 압전 재료의 두께에서의 증가 없이 그리고 단지 천공들의 생성으로 인한 센서 비용에서의 최소 증가로 획득된다. 결과적으로, 본 발명에 따른 하이드로폰은 높은 주파수들에서 더 좋은 성능을 보인다.

제안된 솔루션에서, 3-1 접속성을 갖는 압전 플레이트들이 사용된다는 사실은 매우 유리하다. 구체적으로, 1-3 또는 2-2 복합물 압전 재료의 모놀리식 플레이트를 사용하는 경우, 균일한 로드들 또는 바들 사이의 간극 (interstice) 들은 폴리머 충진제 재료로 충진되고, 기본 센서의 감도 이득은 주로 압전 재료의 스티프니스에 대하여 폴리머 재료의 무시할 만한 정도가 아닌 스티프니스 때문에 감소된다. 1-3 또는 2-2 복합물의 압전 재료의 선택은 통상적인 충진제 재료들의 스티프니스에 대하여 충분한 스티프니스를 갖는 압전 세라믹들에 제한되고, 압전 폴리머들을 배제한다. 3-1 접속성을 갖는 복합물 플레이트들의 경우에서, 충진제 재료는 측방 방향들에서 압전 재료에 의해 그리고 수직 방향에서 강성 전극들에 의해 완전히 캡슐화되고, 대기 압력에 대하여 낮은 응력들을 받는다. 이것은, 천공들이 극히 유연성 있는 재료, 예컨대 개방 셀 폼, 가스 또는 심지어 진공으로 충진되는 것을 허용한다. 일반적으로, 고체가 충진제 재료로서 사용되는 경우, 충진제 재료의 영률이 층의 평면에 수직하게 정의된 압전 재료의 영률의 1/4 보다 작을 때 우수한 결과들이 획득된다. 유체가 충진제 재료로서 사용되는 경우, 유리하게는 그 등방성 압축률이 압전 재료의 등방성 압축률의 1/4 보다 작다. 개방 셀 폼, 또는 단지 공기는 매우 낮은 스티프니스를 보이고, 진공에 가까운 최대 디커플링을 제공한다. 감도 이득은 따라서, 최대화된다. 3-1 복합물의 압전 재료의 선택은 PVDF 와 같은 압전 폴리머들로 확장될 수도 있다. 텍스트의 나머지 전체에서, 본 발명에 따른 하이드로폰은 천공된 압전 플레이트들 또는 3-1 복합물 압전 플레이트들을 갖는 다중층 하이드로폰으로서 지칭될 수도 있다.

하이드로폰의 커패시턴스는 또한, 다중층 균일 센서에 대하여 감소된다. 결과적으로, 본 발명은 특히, 낮은 감도, 높은 유전율 재료들, 예컨대 1-3 복합물들에 대해 적합하다. 3-1 복합물의 압전 매트릭스는 그 다음에, 1-3 복합물로 이루어진다.

천공된 압전 플레이트들을 갖는 하이드로폰은 균일한 플레이트들을 갖는 하이드로폰의 이점들 대부분: 대역에서 공진 모드의 부재, 낮은 제조 격차, 낮은 가속도 감도, 연속적인 음향 표면 및 잠재적으로는 큰 사이즈를 보유한다. 정지 압력 저항은 압전 재료에서 응력의 증폭으로 인해 감소된다. 그럼에도 불구하고, 동작적 요건들에 대해서는 여전히 쉽게 충분하다.

유리하게, 적어도 하나의 압전 층은 복수의 천공들을 포함하는 중앙 구역을 포함하는 압전 재료의 적어도 하나의 일원화된 플레이트를 포함하고, 상기 중앙 구역은 적층 방향을 따라 상기 천공들을 적어도 부분적으로 통합하고 층의 평면에서 상기 천공들을 통합한다. 압전 층은 천공들을 통합하는 단일의 일원화된 플레이트를 포함한다. 변형에서, 층은 위에서 정의된 바와 같은 복수의 일원화된 플레이트들을 포함하고, 이 플레이트들은 플레이트들의 천공들이 적층 방향에서 중첩되어 압전 층의 천공들을 형성하도록 적층 방향을 따라 적층된다.

이 솔루션과 균일한 플레이트들을 갖는 다중층 센서 간의 비용 차이는 단지 비용 차이가 압전 층에서 천공들의 생성에 있기 때문에 매우 작다.

또한, 이것은 균일한 센서를 제조하는 단순하고 저렴한 방법이 보유되는 것을 허용하고, 이 방법은 전극들 및 일원화된 압전 재료의 플레이트의 단순한 스택을 생성하는 것으로 이루어진다.

천공들은 서로 연결되는 바들에 의해 분리된다. 이 솔루션은 따라서, 천공들의 상대적인 포지셔닝에 관한, 그리고 특히 독립적인 바들을 포지셔닝할 필요가 있는 복잡한 툴을 사용하는 문제들을 회피한다. 이 솔루션은, 센서에 대한 추가적인 복잡성 및 제조 시간을 수반하는, 천공들이 견고하게 폐쇄되는 것을 보장하고 디바이스의 압력 저항을 보장하기 위해 천공들의 단부들에 추가의 엘리먼트들을 추가하는 것을 회피하는 것을 가능하게 한다.

유리하게, 중앙 구역을 포함하는 층은 중앙 구역을 완전히 둘러싸는 균일한 압전 프레임을 포함하고, 균일한 프레임은 압전 재료로 제조된다.

본 발명에 따른 하이드로폰은 다공성 PVDF 플레이트들을 사용하는 다중층 하이드로폰과는, 다음에서 상이하다.

■ 충진제 재료의 인클로전들의 토폴로지:

○ 다공성 PVDF (3-0 복합물) 의 경우에서 (벌크 내에 가둬진) 0 의 접속성을 갖고;

○ 천공된 PVDF (3-1 복합물) 의 경우에서 (방향 3 에서 개방되는) 접속성 1 을 가짐;

■ 충진제 재료의 인클로전들의 스케일:

○ 다공성 PVDF 의 경우에서 미세하고 (< 0.1　mm);

○ 천공된 PVDF 의 경우에서 육안으로 보임 (≥ 0.1　mm);

■ 감도/커패시턴스 트레이드-오프가 조정되는 것을 허용하는, 단위 볼륨당 충진제 재료의 프랙션이 천공된 PVDF 로 조정되는 더 큰 가능성.

다공성 PVDF 는 높은 푸아송비를 갖기 때문에, 이것은, 천공에 의해 실질적으로 개선될 잠재력 (g3t 와 g33 사이의 중요한 차이) 을 갖는다. 이 잠재적은 그럼에도 불구하고, 이 재료의 더 낮은 압력 저항에 의해 제한된다.

본 발명에 따른 하이드로폰은 다음에서 3-1 피에조복합물과 상이하다:

■ 인클로전들의 접속성 및 분극의 상대적인 방향들, 이것은,

○ 3-1 피에조복합물에 대해 수직하고;

○ 본 발명에 따른 제안된 솔루션에 대해 병렬적임,

■ 강성 플레이트들, 이것은,

○ 천공들이 폴리머와 같은 고체 재료로 충진되어야 한다는 것을 의미하는, 3-1 피에조복합물의 부분을 형성하지 않고;

○ 충진제가 임의의 재료, 특히 공기인 것을 허용하는, 본 발명에 따른 제안된 솔루션의 통합부를 형성함.

유리하게, 적어도 하나의 압전 층은 압전 재료의 단일의 일원화된 플레이트를 포함한다.

유리하게, 적어도 하나의 압전 층은 압전 재료의 복수의 일원화된 플레이트들의 적층 방향을 따라 생성된 기본 스택을 포함하고, 각각의 일원화된 플레이트는 복수의 천공들을 포함하는 중앙 구역을 포함하고, 플레이트들은 상기 플레이트들의 천공들이 적층 방향에서 중첩되도록 적층된다.

유리하게, 각각의 강성 층은 스택에서 상기 강성 층과 연속적인 각각의 압전 층의 표면 전체 위에서 확장한다.

유리하게, 천공들의 세트를 포함하는 중앙 구역을 포함하는 적어도 하나의 압전 층은 길이 방향을 따라 인출된 단순한 직교성 압전 재료, 예컨대 PVDF 로 제조된다.

유리하게, 천공들의 세트를 포함하는 중앙 구역을 포함하는 적어도 하나의 압전 층은 0.35 이상인 푸아송비 및 10　GPa 이상인 영률을 갖는 재료로 제조되고, 특히 PZT, 코폴리머 또는 PVDF 로 제조된다.

유리하게, 천공들의 세트를 포함하는 중앙 구역을 포함하는 적어도 하나의 압전 층은 1-3 피에조복합물 재료로부터 제조된다.

유리하게, 천공들은 압전 재료의 바들에 의해 짝 방식으로 분리되고, 천공들의 세트를 포함하는 중앙 구역을 포함하는 적어도 하나의 압전 층은 길이 방향에 수직한 방향을 따라 상기 압전 층의 적층 방향으로의 중앙 구역에 포함된 바들의 폭에 대한 압전 층의 두께의 비율에 의해 정의된, 바들의 종횡비가 적어도 0.25 와 동일하도록 디멘져닝된다.

유리하게, 압전 층은 적층 방향에 수직하게 횡 등방성을 보이는 재료로 형성되고, 천공들은 적층 방향에 수직한 2 개의 방향들에서 유사하게 확장한다.

대안으로, 압전 층은 적층 방향에 수직한 가로 이방성을 보이는 재료로 형성될 수도 있고, 천공들은 적층 방향에 수직한 방향으로 주로 확장한다.

유리하게, 천공들은 적층 방향에 수직한 2 개의 방향들에서 규칙적으로 포지셔닝된다.

본 발명의 다른 청구물은 본 발명에 따른 복수의 하이드로폰들을 포함하는 수신 어레이이다.

본 발명의 또 다른 청구물은 본 발명에 따른 하이드로폰을 생성하는 방법이고, 여기서 천공들은 일원화된 압전 재료를 커팅함으로써 생성된다.

유리하게, 압전 재료는 커팅에 의한 천공들의 생성 전에 분극화된다.

본 발명의 다른 특성들 및 이점들은, 비-제한의 예시의 방식으로 주어지고 첨부된 도면들을 참조하는, 뒤따라오는 상세한 설명을 판독함으로써 명백해질 것이고, 도면들에서:
- 도 1 은 본 발명에 따른 하이드로폰의 제 1 예의 개략적인 사시 표현이고;
- 도 2 는 본 발명에 따른 하이드로폰의 제 2 예의 개략적인 단면 표현이고;
- 도 3 은 도 1 에 도시된 하이드로폰의 3-1 접속성을 갖는 압전 층의 개략적인 사시 표현이고;
- 도 4 는 도 3 의 3-1 접속성을 갖는 압전 층의 위에서 본 개략적 표현이고;
- 도 5 는 높은 길이/폭 종횡비를 갖는 천공들의 경우에서, 평면 M 을 따른 도 1 의 하이드로폰의 단면 표현이고;
- 도 6 은 높은 길이/폭 종횡비를 갖는 천공들의 경우에서, 도 1 의 하이드로폰의 확대된 사시 표현이고;
- 도 7a 내지 도 7d 는 낮은 길이/폭 종횡비를 갖는 천공들의 경우에서, 압전 층의 변형들의 표현들이다.
일의 도면에서 다른 도면까지, 동일한 엘리먼트들을 동일한 참조부호들을 부여한다.

본 발명은 푸시-풀 (push-pull) 모드에서 동작하도록 구성된 하이드로폰에 관한 것이다. 이 유형의 하이드로폰은 그 모든 면들 상에서 동일한 압력을 받도록 설계된다. 따라서, 하이드로폰은, 그 사이즈가 검출된 음향파들의 파장보다 더 작은 동작 주파수 영역을 갖도록 구성된다.

이 유형의 하이드로폰은, 예컨대 그 대향 면들 사이의 압력 차이를 검출하도록 의도되는 캔틸레버 빔 하이드로폰들 (cantilever beam hydrophones) 로서 지칭된, 휨 (flexing) 에 의해 동작하도록 의도된 하이드로폰들과는 대조적이다.

본 발명에 따른 하이드로폰은 큰 깊이에서 침수되도록 의도될 수도 있다. 이 경우에서, 하이드로폰은 높은 정수압, 예를 들어 적어도 30　bar 를 견뎌야 한다.

도 1 은 본 발명에 따른 하이드로폰의 예의 개략적인 사시 표현을 나타낸다. 이 하이드로폰은, 예를 들어 본딩에 의해 어셈블링된 층들 (1 내지 5) 의 스택 (10) 을 포함한다. 어셈블리의 다른 수단이, 예컨대 특히 하이드로폰의 구성 재료들 중 하나의 중합반응 (polymerization) 에 의해 가능하다. 스택 (10) 은 적층 방향 (z) 을 따라 생성된다. 또한, 서로 그리고 적층 방향 z 에 수직한 방향들 (x 및 y) 이 정의된다. 층들은 방향들 (x, y) 을 포함하는 평면들에서 확장되고, 강성 층들 (1, 3, 5) 로서 지칭된 3 개의 층들 및 압전 재료의 2 개의 층들 (2, 4) 을 포함한다. 강성 층들 (1, 3, 5) 은 전극들일 수도 있다. 이 경우에서, 이 층들은, 도 1 에 도시되지 않은 전기적 접속들에 의해 병렬 또는 직렬로 전기적으로 접속된, 예를 들어 금속으로 제조된 전기적으로 전도성 층들이다. 각각의 압전 층 (2, 4) 은, 한 사이드 상의 2 개의 강성 층들 (1 및 3) 과 다른 사이드 상의 (3 및 5) 사이에 개재, 즉 샌드위치된다. 각각의 압전 층은 그것을 둘러싸는 2 개의 강성 층들에 본딩된다. 강성 층은 전도성이 아니고 단지 기계적 횡보강 (lateral stiffening) 기능만을 갖는 것이 가능하다.

일반적으로, 스택 (10) 은 복수의 강성 층들을 포함하고, 이 층들 중 적어도 2 개는 전극 층들이다. 도시된 스택에서, 압전 층 및 강성 층은 교대로 적층된다. 또한, 동일한 유형의 연속적인 층들을 갖는 스택을 생성하는 것이 가능하다. 스택은 적어도 하나의 압전 층 및 2 개의 강성 층들을 포함한다. 도 2 의 실시형태는, 서로 직렬로 및/또는 병렬로 전기적으로 접속되는 모든 전극들인, 압전 재료의 복수의 층들 (102, 104, 106, 108) 및 복수의 강성 층들 (101, 103, 105, 107, 109) 을 포함하는 스택 (100) 의 제 2 예의 적층 방향 (z) 를 포함하는 평면에서 단면뷰를 나타낸다. 압전 재료의 층들은 반드시 동일한 압전 재료로 제조되지는 않는다. 강성 층들은 반드시 동일한 재료로 제조되지는 않는다. 층들은 반드시 동일한 두께는 아니다. 변형에서, 압전 재료의 층들 모두는 동일한 재료로 제조되고/되거나 동일한 두께이고/이거나 강성 층들 모두는 동일한 재료로 제조되고/되거나 동일한 두께이다.

용어 "강성 층들" 은, 적층 방향에 수직하게 압전 재료의 인접한 층(들)의 스티프니스 보다 더 높은 스티프니스들을 갖는 층들을 의미하는 것으로 이해된다. 재료의 층의 스티프니스는 여기서, 그 영률 (Young's modulus) 및 그 두께의 곱으로서 정의된다. 이들 강성 층들의 기능들 중 하나는 압전 재료의 측방 변형을 제한하기 위한 것이고, 이에 의해 측방 응력들, 즉 방향 z 에 수직한 응력들이 감소되고 따라서 우수한 유효 유전율을 갖는 하이드로폰을 제공하는 것을 허용한다. 이 효과는 균일한 플레이트들을 갖는 센서에 이미 존재한다. 본 발명에 따른 천공된 플레이트를 갖는 센서에서, 이 효과는 균일한 주변 구역에서, 그리고 측방 디커플링이 없는 방향들에서 천공된 중앙 구역에서 존재한다. 이 효과는 강성 층들이 압전 재료에 대하여 더 강성일 때 증가한다. 강성 층들에서, 휨으로 인한 인장 및 압축 측방 응력들이 관측된다. 강성 층들의 다른 기능은 압전 재료 및 충진제 재료의 적층 방향 (z) 을 따른 변형을 균질화하기 위해 천공들을 따른 굽힘 변형 (flexural deformation) 을 최소화하고, 따라서 압전 재료에서 방향 (z) 을 따른 인장 응력을 증폭시키는 것이다. 기관-내 테스트들은, 하이드로폰이 강성 층의 스티프니스 대 인접한 압전 층의 스티프니스의 비율이 2.5 이상에서 잘 동작한다는 것을 보여주었다. 압전 재료의 층들의 전체 두께의 약 75% 의 전체 두께를 갖는 Al, Cu-Be 또는 Cu-Sn 로 제조된 전극들은, 압전 재료가 폴리머이거나 압전 복합물인 경우에서 이 컨디션을 충족시킨다.

강성 층들은 적어도 2 개의 전극들을 포함하고, 다른 강성 층들을 포함할 수도 있는데, 이 강성 층들의 유일한 기능은 압전 재료의 층들의 측방 변형을 제한하는 것이다. 이들 층들은 따라서, 선행하는 단락에서 정의된 요구된 스티프니스 컨디션들을 충족시키지만, 서로에 또는 전극들에 전기적으로 접속되지 않는다.

전극 층들은 전도성 층들, 예를 들어 알루미늄, CuBe 합금 또는 CuSn 합금으로 제조된 예를 들어 금속 층들이다. 다른 강성 층들은 반드시 전도성은 아니다.

도 3 및 도 4 는 도 1 에 도시된 하이드로폰의 예의 압전 층 (2) 의, 각각 위에서 본 그리고 개략적인 사시 표현이다. 유리하게는, 필수적이지는 않지만, 층들 (2 및 4) 은 동일하다.

이 층 (2) 은 천공된 중앙 구역으로 지칭된 중앙 구역 (20) 을 포함하고, 적층 방향 (z) 에 수직한, 길이 방향 (y) 으로서 지칭된 방향을 따라 길이 방향으로 확장한 홈들 (21) 의 형태로 천공들의 세트를 포함하는 플레이트이다. 용어 "홈 (groove) 들" 은 길쭉한 형상의 홀들을 의미하는 것으로 이해된다. 홈들은 실질적으로 서로 평행하다. 홈이 있는 중앙 구역 (20) 은 2 개의 홈들에 의해 구획된다. 이것은 도 4 에서 점선들로서 정의된다. 각각의 홈 (21) 은, 방향 (y) 을 따라 길이 방향으로 확장한 압전 재료의 바들 (22) 에 의해, 방향 (x) 을 따라 구획된다. 바들 (22) 은 압전 재료의 플레이트 (2) 의 전체 두께에 걸쳐 확장한다. 이들은, 플레이트의 전체 두께에 걸쳐 방향 (x) 을 따라 홈들을 견고하게 폐쇄한다. 각각의 홈 (21) 은, 방향 (x) 을 따른 중앙 구역 (20) 의 전체를 따라 연속적으로 확장하는 힐들 (23, 24) 에 의해 그 2 개의 길이 방향 단부들에서 구획된다. 힐들 (23, 24) 은 플레이트 (2) 의 전체 두께에 걸쳐 방향 (y) 에 따라 홈들을 견고하게 폐쇄하도록 플레이트 (2) 의 전체 두께에 걸쳐 연속적으로 확장한다.

층 (2) 에 인접한 강성 층들 (1, 3) 은 중앙 구역 (20) 의 전체 표면에 걸쳐 확장한다. 도면들의 실시형태에서, 이들 강성 층들 (1, 3) 은 중앙 구역 (20) 의 전체 표면에 걸쳐 연속적으로 확장한다.

홈들 (21) 은 방향 (z) 을 따라 층 (2) 을 관통한다. 다르게 말하면, 홈들 (21) 은 2 개의 강성 층들 (1 및 3) 상에서 개방된다.

따라서, 스택에서, 도 5 에서 볼 수 있는 바와 같이, 각각의 홈 (21) 은 2 개의 강성 층들 (1, 3) 의 부분들, 즉 압전 층 (2) 과 연속적인, 즉 이 층에 본딩되는 2 개의 강성 층들을 포함하는 폐쇄 엘리먼트들에 의해 견고하게 폐쇄되는 천공을 형성한다. 도 6 은 도 1 의 하이드로폰의 분해 사시도이다.

폐쇄 엘리먼트는 또한, 각각의 홈 (21) 을 구획하는 2 개의 바들 (22) 및 2 개의 힐들 (23, 24) 을 포함한다. 각각의 홈 (21) 은, 압전 재료의 강도보다 실질적으로 더 낮은 스티프니스를 갖는 충진제 유체 또는 고체 충진제 재료로 적어도 부분적으로 충진된다. 충진제 유체는, 예를 들어 공기이다. 천공들은, 층 (2) 과 인접한 강성 층들 각각 상에서, 바람직하게는 적어도, 홈들의 길이의 대부분 위에서 개방된다. 다르게 말하면, 인접한 층들을 본딩할 때, 접착제는 홈들 안으로 침투하여 홈들을 부분적으로 충진할 수 있다. 접착제의 유동성 및 방향 (x) 을 따른 홈들의 폭은 유리하게는, 접착제가 홈들 안으로 침투하지 않거나 단지 아주 조금 침투하도록 선택된다. 각각의 천공은 유리하게는, 그것이 포함되는 천공의 길이의 대부분 위에서 적어도 확장한다. 접착제의 유동성 및 홈들의 폭은, 천공들이 그 길이의 적어도 대부분 위에서 또는 그 전체 길이 위에서 층 (2) 과 인접한 강성 층들 각각 상에서 개방하도록 선택된다. 이것은, 접착제가 천공들을 폐쇄하지 않고 인접한 강성 층들로부터 천공들을 분리하지 않는다는 것을 의미한다.

천공들의 기능은 수직 방향 (x) 에서 측방 디커플링을 제공하여, 이에 따라 압전 재료가 균일한 플레이트들을 갖는 다중층 센서에서보다 더 유리한 모드로 동작하는 것을 허용하고 센서의 감도가 균일한 플레이트들을 갖는 다중층 센서에 대하여 개선되는 것을 허용하는 것이다.

도 3 및 도 4 의 실시형태에서, 압전 재료의 플레이트 (2) 는 일원화된다. 다르게 말하면, 플레이트 (2) 는 압전 재료의 단일 피스로부터 형성된다. 플레이트 (2) 는 홈이 있는 중앙 구역 (20) 및 플레이트의 전체 두께에 걸쳐 홈들을 견고하게 폐쇄하는 주변 구역 (25) 을 포함한다. 이 실시형태의 이점은, 공기-충진된 천공들의 견고함을 보장하면서 저렴한 플레이트들을 간단하게 적층함으로써 스택이 생성되는 것을 허용한다는 것이다.

유리하게, 주변 구역 (25) 은 균일하다. 이것은, 홈이 있는 중앙 구역 (20) 을 완전히 둘러싸는 압전 재료로 제조된 프레임을 형성한다. 균일한 프레임 (25) 은, 홈이 있는 중앙 구역을 둘러싸는 바들 (22a, 22b) 및 2 개의 힐들 (23, 24) 로부터 형성된다.

이 실시형태에서, 주변 구역들은 두께 모드로 동작한다. 프레임의 이점은, 그것이 우수한 압력 저항을 제공한다는 것이다. 프레임이 압전 재료로 제조되는, 이 실시형태의 이점은 압전 층의 활성 영역을 최대화한다는 것이다. 균일한 플레이트들을 갖는 다중층 센서에 대하여 이 유형의 솔루션의 추가 비용은, 그것이 균일한 플레이트들을 갖는 다중층 센서에서 사용된 모놀리식 플레이트들에서의 홈들의 생성에만 연결되기 때문에 상당하지 않다.

홈들 (21) 은, 예를 들어 균일한 플레이트를 머시닝함으로써 생성된다. 플레이트는, 변형에서, 홈이 있는 플레이트가 직접적으로 획득되는 것을 허용하는, 몰딩에 의해 획득될 수도 있다.

변형에서, 압전 재료의 층 (2) 은, 적층 방향 (z) 을 따라 생성된, 전술된 바와 같은 다수의 일원화된 플레이트들의 기본 스택을 포함한다. 플레이트들은, 플레이트들의 홈들이 적층 방향을 따라 중첩되어 천공들을 형성하도록 적층된다. 압전 층의 각각의 채널은 그 다음에, 적층된 플레이트들에서 생성된 홈들의 스택에 형성된다. 압전 층을 형성하는 플레이트들은 동일한 사이즈의 홈들의 동일한 수를 포함하고, 이 홈들이 평면 x, y 에서 동일한 포지션들을 차지하도록 포지셔닝된다. 이 방식에서, 홈들은 압전 층의 어느 하나의 사이드 상의 개구 및 층의 전체 두께에 걸쳐 확장하는 두꺼운 홈들을 형성한다.

변형에서, 하이드로폰은 일원화되지 않은 적어도 하나의 압전 층을 포함한다. 다르게 말하면, 천공들을 구획하는 바들은 일원화된 부분을 형성하지 않고 부분들의 어셈블리로 이루어진다. 이 층은 압전 재료로 제조된 독립적인 바들에 의해 분리되는 천공들을 포함한다. 층은 그 단부들에 천공들을 폐쇄하기 위한 엘리먼트들을 포함한다. 천공들은, 예를 들어 천공의 하나의 단부를 플러그하도록 2 개의 연속적인 바들 사이에 삽입되는 독립적인 충진제 엘리먼트들에 의해 그 단부들에서 폐쇄되고, 또는 그 밖에는 천공들은 2 개의 연속적인 바들 사이에 삽입되는 티스 (teeth) 를 포함하는 콤보 (comb) 를 형성하는 2 개의 충진제 부분들 각각에 의해 폐쇄된다. 폐쇄 엘리먼트들은, 예를 들어 압전 재료로, 또는 그 밖에는 폴리머와 같은 비-압전 재료로 제조된다.

유리하게는, 압전 재료의 적어도 하나의 층은 천공들을 포함하는 중앙 구역을 완전히 둘러싸는 균일한 프레임을 형성하는 주변 구역을 포함한다.

적어도 하나의 압전 층이 천공들을 포함하는 중앙 구역을 완전히 둘러싸는 균일한 프레임을 형성하는 주변 구역을 포함하는 경우에서, 전극들의 스티프니스 및 두께는, 압전 재료가 균일한 구역에서 차단 모드로 동작한다는 것을 보장하기 위해 압전 재료의 두께 및 스티프니스에 대하여 충분히 강성이도록 선택된다. 이것은, 이 구역에서 측방 변형들이 완전히 방지, 또는 거의 완전히 방지된다는 것을 의미한다. 강성 층들은 측방 변형을 차단한다.

일반적으로, 강성 층들은, 중앙 구역에서 길이 방향 (y) 에서 압전 재료의 측방 변형을 차단하고, 홈들을 따른 유연성 있는 변형을 최소화하고, 힘들의 전달을 최대화하며, 바들에서 응력을 증폭시키는 것을 가능하게 한다.

유리하게는, 도 1 에 도시된 바와 같이, 각각의 강성 층 (1, 3 및 5) 은 강성 층 (1, 3, 5) 에 본딩되는 또는 이와 인접한 압전 재료의 각각의 층 (2) 의 전체 표면 위에서 확장한다. 이것은, 하이드로폰의 면들 상에 가해진 음향 압력을 측정할 때 각각의 압전 층의 전체 활성 영역을 사용함으로써 하이드로폰의 성능이 향상되는 것을 가능하게 한다.

변형에서, 적어도 하나의 강성 층은 적어도 하나의 인접한 압전 층의 표면의 일부 위에서 확장한다. 중요한 포인트는, 강성 층들이, 각각의 인접한 압전 층의, 천공들을 포함하는 중앙 구역의 전체 표면 위에서 확장한다는 것이다. 이것은, 천공들이 유체로 충진될 때 견고하게 폐쇄되는 것을 보장하는 것을 가능하게 한다.

유리하게, 각각의 강성 층은 일원화된 층이다.

압전 층들은 균일한 또는 복합 압전 재료들로 제조될 수도 있다. 이것은, 응력-양극화된 PVDF 와 같이, 탄성 및 압전 특성들이 x 및 y 축들을 따라 동일한 단일의 직교성을 갖는 압전 재료일 수도 있다. 또한, 다공성 PVDF, P(VDF-TrFE) 와 같은 코폴리머들, 1-3 복합물들 및 PZT 세라믹들과 같이, 탄성 및 압전 특성들이 x 및 y 축을 따라 상이한 이중 직교성을 갖는 재료를 구현하는 것이 가능하다. 다공성 PVDF, 코폴리머들 및 1-3 복합물들과 같은 재료들로, 감도 및 성능 지수에서의 이득들은, 덜 극적이지만 더욱 더 개선된 레벨들의 감도 및 전기적 잡음을 초래한다. 그러나, 이 성능에서의 증가는 공급 비용에서의 증가, 및 소정 경우들에서는 예를 들어 다공성 PVDF 의 경우에서 침수 범위에서의 감소로 획득된다.

센서의 전기적 잡음의 감소는 단일 직교성 및 높은 푸아송 비 (porisson 's ratio) 를 보이는 재료, 예를 들어 응력-분극화된 PVDF 들의 사용을 통해 최대화된다. 단일의 직교성을 갖는 재료들의 경우에서, 천공들은 단일의 직교성을 갖는 재료의 인출 방향에 수직한 방향 (y) 을 따라 길이 방향으로 확장되어야 한다. 다르게 말하면, 재료의 인출 방향은 방향 (x) 이다. 이 경우에서, 측방 디커플링은 x 및 y 방향들을 따른 총합이고, 압전 재료는 변형 모드 33 에서, 즉 적층 방향 (z) 을 따른 길이 방향 모드에서 사실상 동작한다. 이 유형의 센서에서, 홈이 있는 구역의 중앙 부분에서는 측방 응력이 거의 0 인 것이 관측된다.

유리하게, 하나 이상의 압전 층들은 0.35 이상인 푸아송비 및 10　GPa 이상인 영률을 갖는 재료에서 생성된다. 이들 컨디션들을 충족시키는 재료는 강성을 갖는 압전 층들을 제공하고, 하이드로폰의 감도가 종래 기술에 대하여 더 개선되는 것을 허용한다. 강성 재료들 중에서, 특히 PZT, 코폴리머 또는 PVDF 가 사용될 수도 있다.

유리하게, 중앙 구역에서 압전 재료로 제조된 바들의 종횡비는 압전 층의 두께, 즉 중앙 구역에 포함된 바들의 폭 (lb) 으로 나누어진 바들의 두께에 의해 정의된다. 유리하게, 종횡비는 적어도 0.25 와 동일하다. 이것은, 바들에서 0 상태의 측방 응력을 제공하는 것을 가능하게 한다. 이 종횡비는 홈들을 생성하는 방법에 의해 제한될 수도 있다.

감도 이득은 적층 방향에 수직하게 유전체 재료 층의 표면 위에서 천공들에 의해 차지된 영역의 비율이 높을수록 더욱 더 상당하다. 그러나, 압력 저항의 요건은 최소의 균일한 스트립을 필요로 한다. 유리하게, 적층 방향에 수직하게 유전체 재료 층의 전체 표면 위에서 천공들에 의해 차지된 영역들의 비율은 하이드로폰의 사용에 의존한다. 천공들에 의해 차지된 영역의 사이즈가 증가할 때, 감도 (Sh) 가 증가하고 커패시턴스 (Ch) 가 감소한다.

응력 하에서 인출된 PVDF 재료의 층을 사용하여, 출원인은 동일한 재료들로 제조된 동일한 수의 층들을 갖고 동일한 사이즈를 갖는 균일한 플레이트들을 갖는 다중층 하이드로폰에 대하여 감도의 증가로, 최대 +7dB 의 성능 지수의 명확한 증가 (즉, 일정한 볼륨에 대해 -7dB 만큼 센서의 전기적 잡음의 감소) 를 위해 감도의 증가는 최대 + 10dB 까지 도달하고, 커패시턴스 (Ch) 의 감소는 3dB 미만으로 유지된다는 것을 입증할 수 있었다.

도 7a 내지 도 7d 는 천공들이 다양한 형상들인 압전 층 (2) 의 변형들의 표현들이다. 도 7a 에서 천공들은 단면이 원형이고, 도 7b 에서 천공들의 단면은 도 1 내지 도 6 의 단면과 흡사하고, 도 7c 에서 천공들은 단면이 정사각형이며, 도 7d 에서 천공들은 단면이 삼각형이다. 위와 같이, 도 7a 내지 도 7d 의 천공들은 한 사이드에서 다른 사이드까지 압전 층 (2) 을 관통한다. 이들은 적층 방향 (z) 을 따라 확장한다. 천공들은 충진제 재료로 충진된 인클루전들을 형성한다. 다양한 변형들에서, 압전 층 (2) 은 3-1 접속성을 갖는 복합물을 형성한다. 보다 구체적으로, 압전 재료는, 3 개의 방향들 (x, y 및 z) 을 따라 연속적인 3 의 접속성을 갖는다. 충진제 재료는, 단지, 적층 방향 (x) 을 따라 연속적인 1 의 접속성을 갖는다.

주로 y 방향을 따라 확장하는 도 7b의 천공들과 x 및 y 방향에서 동일한 방식으로 확장하는 도 7a, 7c 및 7d 의 천공들 간의 구별이 가능하다. 낮은 길이/폭 종횡비의 천공들 (도 7a, 7c 및 7d) 은 (x 및 y 방향에서) 횡 등방성을 보이는 압전 재료에 매우 적합하다. 높은 길이/폭 종횡비의 천공들 (도 7b) 은, 횡 등방성이 없는 압전 재료, 예컨대 인출된 재료에 매우 적합하다. 그 다음에 천공들의 최대 치수는 유리하게, 압전 재료의 인출 방향에 수직하다.

도 7a 내지 도 7d 에서, 천공들은 방향들 (x 및 y) 을 따라 규칙적으로 포지셔닝된다. 규칙적인 포지셔닝은 압전 재료에서 응력들의 더 좋은 균일성을 제공하고, 따라서 그 압력 저항을 향상시킨다. 또한, 불규칙적으로 또는 랜덤하게 천공들을 포지셔닝하는 것이 가능하다. 또한, 도시된 천공들은 모두, 하나의 동일한 변형에서 동일하다. 대안으로, 하나의 동일한 층 (2) 에서 상이한 형상들의 천공들을 생성하는 것이 가능하다.

본 발명의 다른 청구물은 본 발명에 따른 복수의 하이드로폰을 포함하는 어레이이다.

본 발명의 또 다른 청구물은, 천공들 (21) 이 일원화된 압전 재료를 커팅함으로써 생성되는, 본 발명에 따른 하이드로폰을 생성하는 방법이다. 커팅 동작은, 예를 들어 커팅 툴을 사용하는 머시닝에 의해 또는 레이저 머시닝에 의해 수행된다. 압전 재료에 적합한 재료를 제거하는 임의의 다른 방법이 구현될 수도 있다. 커팅 동작은, 상이한 패턴들이 하나의 동일한 플레이트 상에 생성되는 것을 허용한다. 예를 들어, 플레이트의 에지들에 대하여 센터의 천공들의 사이즈를 증가시키는 것이 유리할 수 있다.

압전 재료의 분극은 일반적으로, 층들의 적층 방향 (z) 에 평행하게, 따라서 천공들 (21) 의 방향에 평행하게 배향된다. 유리하게, 압전 재료는 커팅에 의한 천공들의 생성 전에 분극화된다. 압전 재료의 분극화는, 예를 들어 인출에 의해 그것이 성형되고 있을 때 확립된다. 압전 재료는 2 개의 롤러들 사이에서 인출된다. 롤러들 사이에 또는 잠재적으로 롤러들과 압전 층을 형성하는 기본 스택 안에 존재하는 전도성 층 사이에는 고 전압이 인가된다. 인가된 전압은 압전 재료를 분극화하기 위한 목적을 위해 전계를 생성한다. 또한, 압전 재료를 그 인출에 독립적으로 분극화하는 것이 가능하다.

압전 재료에 대한 가능한 커팅 방법들 중에서, 커팅 에지들에서 재료의 부분 탈분극 (depolarization) 을 방지하기 위해 낮은 온도 상승을 생성하는 방법이 유리하다.

Claims (18)

1. 서로 본딩되는 층들 (1, 2, 3, 4, 5) 의 스택 (10) 을 포함하는, 푸시-풀 모드로 동작하도록 구성된 하이드로폰으로서,
   상기 스택은 적층 방향 (z) 을 따라 생성되고, 상기 층들 (1, 2, 3, 4, 5) 은 적어도 하나의 압전 층 (2, 4) 및 강성 층들 (1, 3, 5) 로서 지칭된 복수의 층들을 포함하고, 상기 복수의 층들 중 적어도 2 개는 전극 층들이고,
   상기 강성 층들 (1, 3, 5) 은, 상기 적층 방향 (z) 에 수직한 상기 압전 층의 스티프니스보다 더 높은, 상기 적층 방향 (z) 에 수직한 스티프니스를 보이고, 적어도 하나의 압전 층 (2, 4) 은 단지 상기 적층 방향 (z) 을 따라 상기 압전 층 (2, 4) 을 관통하는 천공들 (21) 의 세트를 포함하는 중앙 구역 (20) 을 포함하고, 각각의 천공 (21) 은 상기 강성 층들 (1, 3, 5) 중 2 개의 층들의 부분들을 포함하는 폐쇄 엘리먼트들에 의해 견고하게 폐쇄되고, 상기 2 개의 강성 층들 (1, 3) 은 상기 중앙 구역 (20) 의 표면 전체 위에서 확장하며,
   상기 천공들 (21) 은 층 (2, 4) 의 압전 재료와 함께 3-1 접속성을 갖는 복합물을 형성하는 충진제 재료로 충진되는, 하이드로폰.
2. 제 2 항에 있어서,
   강성 층의 스티프니스 대 인접한 압전 층의 스티프니스의 비율은 2.5 이상인, 하이드로폰.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 충진제 재료는 유체이고, 상기 유체의 등방성 체적 탄성율 (bulk modulus) 은 상기 압전 재료의 등방성 체적 탄성율의 1/4 보다 작은, 하이드로폰.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 충진제 재료는 고체이고, 상기 고체의 영률은 상기 압전 층 (2, 4) 의 평면에 수직하게 정의된 상기 압전 재료의 영률의 1/4 보다 작은, 하이드로폰.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 압전 층 (2, 4) 은 중앙 구역 (20) 및 상기 중앙 구역 (20) 을 완전히 둘러싸는 균일한 프레임 (25) 을 포함하고, 상기 균일한 프레임 (25) 은 압전 재료로 제조되는, 하이드로폰.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   적어도 하나의 압전 층 (2, 4) 은 압전 재료의 단일의 일원화된 플레이트를 포함하는, 하이드로폰.
7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   적어도 하나의 압전 층 (2, 4) 은 압전 재료의 복수의 일원화된 플레이트들의 적층 방향 (z) 을 따라 생성된 기본 스택을 포함하고, 각각의 일원화된 플레이트는 복수의 천공들을 포함하는 중앙 구역 (20) 을 포함하고, 상기 플레이트들은 상기 플레이트들의 천공들이 적층 방향 (z) 에서 중첩되도록 적층되는, 하이드로폰.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   각각의 강성 층 (1, 3, 5) 은 상기 스택 (10) 에서 상기 강성 층 (1, 3, 5) 과 인접하는 각각의 압전 층 (2, 4) 의 표면 전체 위에서 확장하는, 하이드로폰.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   천공들 (21) 의 세트를 포함하는 중앙 구역 (20) 을 포함하는 적어도 하나의 압전 층 (2, 4) 은 길이 방향을 따라 인출된 단순한 직교성 압전 재료, 예컨대 PVDF 로 제조되는, 하이드로폰.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    천공들 (21) 의 세트를 포함하는 중앙 구역 (20) 을 포함하는 적어도 하나의 압전 층은 0.35 이상인 푸아송비 및 10　GPa 이상인 영률을 갖는 재료로 제조되고, 특히 PZT, 코폴리머 또는 PVDF 로 제조되는, 하이드로폰.
11. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    천공들 (21) 의 세트를 포함하는 중앙 구역 (20) 을 포함하는 적어도 하나의 압전 층은 1-3 피에조복합물 재료로부터 제조되는, 하이드로폰.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 천공들 (21) 은 압전 재료의 바 (22) 에 의해 짝 방식으로 분리되고,
    천공들 (21) 의 세트를 포함하는 중앙 구역 (20) 을 포함하는 적어도 하나의 압전 층은, 길이 방향 (y) 에 수직한 방향을 따라 상기 압전 층의 적층 방향 (z) 으로의 상기 중앙 구역 (20) 에 포함된 바의 폭에 대한 상기 압전 층의 두께의 비율에 의해 정의된, 상기 바 (22) 의 종횡비가 적어도 0.25 와 동일하도록 디멘져닝되는, 하이드로폰.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 층 (2, 4) 은 상기 적층 방향 (z) 에 수직하게 횡 등방성을 보이는 재료에서 형성되고, 상기 천공들 (21) 은 상기 적층 방향 (z) 에 수직한 2 개의 방향들 (x, y) 에서 유사하게 확장하는, 하이드로폰.
14. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 층 (2, 4) 은 상기 적층 방향 (z) 에 수직한 횡 이방성을 보이는 재료로 형성되고, 상기 천공들 (21) 은 상기 적층 방향 (z) 에 수직한 방향 (y) 으로 주로 확장하는, 하이드로폰.
15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 천공들 (21) 은 상기 적층 방향 (z) 에 수직한 2 개의 방향들 (x, y) 에서 규칙적으로 포지셔닝되는, 하이드로폰.
16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 기재된 복수의 하이드로폰들을 포함하는 수신 어레이.
17. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 기재된 하이드로폰을 생성하는 방법으로서,
    상기 천공들 (21) 은 일원화된 압전 재료를 커팅함으로써 생성되는, 하이드로폰을 생성하는 방법.
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 압전 재료는 커팅에 의해 상기 천공들 (21) 의 생성 전에 분극화되는, 하이드로폰을 생성하는 방법.

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