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KR20210048905A - Accelerometer and acoustic vector sensor having the same - Google Patents

Accelerometer and acoustic vector sensor having the same Download PDF

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KR20210048905A
KR20210048905A KR1020190133164A KR20190133164A KR20210048905A KR 20210048905 A KR20210048905 A KR 20210048905A KR 1020190133164 A KR1020190133164 A KR 1020190133164A KR 20190133164 A KR20190133164 A KR 20190133164A KR 20210048905 A KR20210048905 A KR 20210048905A
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KR
South Korea
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acceleration sensor
piezoelectric element
base
hydrophone
electrode
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제엽
조치영
조요한
이상구
Original Assignee
국방과학연구소
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Abstract

The present invention discloses an acceleration sensor, comprising: a base extending in one direction; a first piezoelectric element portion and a second piezoelectric element portion made of a piezoelectric element, and each formed to be in contact with one surface and the other surface of the base and supported by the base; and a first electrode and a second electrode each formed to be in contact with the other surface of the first and second piezoelectric elements, and disposed to face each other at least a portion thereof, wherein the first and second electrode sides are fixed, and the base side becomes a free end.

Description

가속도 센서 및 이를 구비하는 음향 벡터 센서{ACCELEROMETER AND ACOUSTIC VECTOR SENSOR HAVING THE SAME}Acceleration sensor and acoustic vector sensor having the same TECHNICAL FIELD [ACCELEROMETER AND ACOUSTIC VECTOR SENSOR HAVING THE SAME}

본 발명은 압전소자의 압전 효과를 이용하는 가속도 센서 및 이를 구비하는 음향 벡터 센서에 관한 것이다.The present invention relates to an acceleration sensor using the piezoelectric effect of a piezoelectric element and an acoustic vector sensor having the same.

함정에 사용되는 선배열예인센서(towed array)는 수중 음향신호 정보를 얻기 위하여 여러 개의 음향 압력 하이드로폰 센서들을 선형으로 배열하여 전방향 빔특성(omni-directional beam pattern)을 가지게 설계된다. 따라서 하이드로폰으로 구성되는 선배열예인센서는 축대칭 빔패턴을 나타낸다.The towed array used in the ship is designed to have an omni-directional beam pattern by arranging several acoustic pressure hydrophone sensors linearly in order to obtain underwater acoustic signal information. Therefore, a linear towing sensor composed of a hydrophone exhibits an axisymmetric beam pattern.

이러한 축대칭 빔패턴 때문에 좌측 또는 우측에서 오는 표적신호(target signal)를 구분할 수 없는 성능을 가진다. 이와 같은, 좌우구분 문제를 해결하기 위하여 벡터센서로 구성되는 선배열예인센서의 개발이 고려될 수 있다.Because of this axisymmetric beam pattern, it has a performance that cannot distinguish a target signal coming from the left or the right. In order to solve the problem of the left and right classification, the development of a pre-array towing sensor composed of a vector sensor may be considered.

한편, 벡터센서는 음파의 입자속도를 측정하여 종래 압력감응 하이드로폰과 대조적으로 지향성 정보를 제공할 수 있다. 이러한 벡터센서는 구현되는 기본원리에 따라 가속도센서 기반의 관성형 센서(inertial sensors)와, 압력 변화율 센서(pressure-gradient sensors)로 구분된다.Meanwhile, the vector sensor can provide directivity information in contrast to the conventional pressure-sensitive hydrophone by measuring the particle velocity of the sound wave. These vector sensors are classified into acceleration sensor-based inertial sensors and pressure-gradient sensors according to the basic principles implemented.

관성형 센서는 음파의 입자운동에 의해 유기된 하우징의 진동을 그 내부에 설치된 가속도센서로 측정하고 무지향성 하이드로폰 신호화 합하여 음파의 지향성 정보를 측정하는 방식이다. 관성형 센서 기반의 벡터 센서는 매질의 입자 운동에 대하여 민감하게 움직이기 위하여 경량화 설계가 요구되며, 하이드로폰 신호와 최대한 같은 위치의 음압을 측정하기 위해서 하이드로폰 및 가속도센서의 소형화 설계 및 이들을 하나의 패키징으로 구성하는 것이 중요하다. 또한, 음향장(acoustic field)내에서 매질의 입자운동에 대하여 지지구조의 간섭없이 민감하게 감응하기 위하여, 하우징이 자유로이 지지되어야 하는 요구조건을 가진다.The inertial sensor measures the vibration of the housing induced by the motion of the sound wave particles with an acceleration sensor installed therein, and combines the non-directional hydrophone signal to measure the directional information of the sound wave. The vector sensor based on the inertial sensor requires a lightweight design in order to move sensitively to the motion of particles in the medium, and to measure the sound pressure at the same position as the hydrophone signal, the compact design of the hydrophone and the acceleration sensor and these It is important to organize with packaging. In addition, there is a requirement that the housing must be freely supported in order to sensitively respond to the motion of particles of a medium in an acoustic field without interference from the supporting structure.

압력 변화율 센서는 두 점에서 측정된 압력의 시간차를 이용하여 지향성 정보를 얻으며, 간격이 좁아지면 정확도가 저하되므로 두 점사이의 간격이 성능에 중요하고 소형화에 어려움이 있다.The pressure change rate sensor obtains directivity information by using the time difference between the pressures measured at two points, and since the accuracy decreases when the distance is narrowed, the distance between the two points is important for performance and it is difficult to miniaturize.

본 발명의 일 목적은, 소형화 및 경량화가 가능한 비교적 단순한 구조를 가지면서, 감지 성능을 보다 향상시킬 수 있는 가속도 센서 및 전방위 음파탐지가 가능한 하이드로폰 내부에 이를 구비하는 음향 벡터 센서를 제공하는 데에 있다.An object of the present invention is to provide an acceleration sensor capable of further improving detection performance while having a relatively simple structure capable of miniaturization and weight reduction, and an acoustic vector sensor having the same inside a hydrophone capable of omnidirectional sound wave detection. have.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 가속도 센서는, 일 방향으로 연장 형성되는 베이스; 압전소자(piezoelectric element)로 이루어지고, 각각의 일면이 상기 베이스의 일면과 타면에 각각 접하도록 형성되어 상기 베이스에 의해 지지되는 제1 압전소자부와 제2 압전소자부; 및 각각 상기 제1 및 제2 압전소자부의 타면에 접하도록 형성되고, 적어도 일부가 서로 마주보게 배치되는 제1 전극과 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 및 제2 전극 측은 고정되며, 상기 베이스 측은 자유단(free end)이 된다.In order to achieve the object of the present invention, the acceleration sensor includes a base extending in one direction; A first piezoelectric element portion and a second piezoelectric element portion formed of a piezoelectric element, each of which is formed to contact one surface and the other surface of the base and supported by the base; And a first electrode and a second electrode formed to contact the other surfaces of the first and second piezoelectric elements, respectively, and at least partially facing each other, wherein the first and second electrode sides are fixed, and the base The side becomes the free end.

상기 제1 및 제2 압전소자부의 진동 방향은, 전기장이 상기 제1 및 제2 전극이 서로 마주하는 제1 방향으로 형성되고, 변형은 상기 제1 및 제2 압전소자부가 연장되는 제2 방향으로 형성될 수 있다.The vibration direction of the first and second piezoelectric element portions is, the electric field is formed in a first direction in which the first and second electrodes face each other, and the deformation is in a second direction in which the first and second piezoelectric element portions extend. Can be formed.

상기 베이스는, 상기 자유단이 형성되는 일단부로 갈수록 단면적이 감소하게 형성될 수 있다.The base may be formed such that a cross-sectional area decreases toward one end where the free end is formed.

상기 압전소자가, [011] 방향으로 분극된 압전 단결정 소재로 이루어질 수 있다.The piezoelectric element may be made of a piezoelectric single crystal material polarized in the [011] direction.

상기 압전 단결정 소재는 PMN-PT, PIN-PMN-PT, PIN-PMN-PT Mn dopped, PMN-PZT 및 PMN-PZT Mn dopped 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The piezoelectric single crystal material may include at least one of PMN-PT, PIN-PMN-PT, PIN-PMN-PT Mn dopped, PMN-PZT, and PMN-PZT Mn dopped.

상기 가속도 센서는, 상기 베이스에서 상기 자유단이 형성되는 일단부에 결합되는 중량부를 더 포함할 수 있다.The acceleration sensor may further include a weight portion coupled to one end portion at which the free end is formed in the base.

상기 베이스는, 상기 자유단이 형성되는 일단부에서 상기 제1 및 제2 압전소자부로부터 돌출 형성되는 노출부를 구비하고, 상기 중량부는 상기 노출부의 적어도 일부를 감싸도록 형성될 수 있다.The base may include an exposed portion protruding from the first and second piezoelectric element portions at one end portion where the free end is formed, and the weight portion may be formed to surround at least a portion of the exposed portion.

한편, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 상기 가속도 센서; 및 중공부를 구비하며, 상기 중공부에 상기 가속도 센서를 수용하는 하이드로폰을 포함하는 음향 벡터 센서를 제안한다.On the other hand, in order to achieve the object of the present invention, the acceleration sensor; And a hydrophone having a hollow portion and accommodating the acceleration sensor in the hollow portion.

상기 가속도 센서는, 각각의 상기 자유단이 서로 마주보게 배치되는 제1 가속도 센서와 제2 가속도 센서로 이루어지고, 상기 제1 가속도 센서와 상기 제2 가속도 센서는, 진동 방향이 서로 교차하도록 이루어질 수 있다.The acceleration sensor may include a first acceleration sensor and a second acceleration sensor, each of which has the free ends facing each other, and the first acceleration sensor and the second acceleration sensor may be configured such that vibration directions cross each other. have.

상기 제1 및 제2 가속도 센서는, 진동 방향이 서로 수직을 이루도록 배치될 수 있다.The first and second acceleration sensors may be disposed such that vibration directions are perpendicular to each other.

상기 하이드로폰은 일 방향으로 연장 형성되며, 양단부에 개구부를 구비하고, 상기 음향 벡터 센서는, 상기 개구부에 결합되어 상기 하이드로폰의 양단부를 폐쇄하도록 형성되고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 일단부에 각각 결합되어, 상기 제1 및 제2 전극 측을 고정시키는 엔드캡부를 더 포함할 수 있다.The hydrophone is formed to extend in one direction and has openings at both ends, and the acoustic vector sensor is coupled to the opening to close both ends of the hydrophone, and the first electrode and the second electrode are Each of the one end portion may further include an end cap portion for fixing the side of the first and second electrode.

한편, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 중공부를 구비하는 하이드로폰; 및 압전소자(piezoelectric element)를 구비하고, 상기 하이드로폰의 중공부에서 각각 일단부는 고정되며 타단부는 자유로운 상태로 서로 마주보게 배치되며, 전달되는 음향파에 의해 서로 마주보는 타단부가 진동을 일으키도록 구성되는 제1 가속도 센서와 제2 가속도 센서를 포함하고, 상기 제1 및 제2 가속도 센서는, 진동 방향이 서로 교차하도록 배치되는 음향 벡터 센서를 제안한다.On the other hand, in order to achieve the object of the present invention, a hydrophone having a hollow portion; And a piezoelectric element, wherein one end is fixed in the hollow part of the hydrophone, and the other end is arranged to face each other in a free state, and the other end facing each other is vibrated by the transmitted acoustic wave. Including a first acceleration sensor and a second acceleration sensor configured to be configured, the first and second acceleration sensors, propose an acoustic vector sensor disposed so that the vibration directions cross each other.

상기 제1 및 제2 가속도 센서는, 진동 방향이 서로 수직을 이루도록 배치될 수 있다.The first and second acceleration sensors may be disposed such that vibration directions are perpendicular to each other.

상술한 해결수단을 통해 얻게 되는 본 발명의 효과는 다음과 같다.The effects of the present invention obtained through the above-described solution are as follows.

본 발명의 가속도 센서는 서로 면접하는 베이스, 제1 압전소자부와 제2 압전소자부, 제1 전극과 제2 전극으로 이루어지는 비교적 단순한 구조를 가지고 있어, 제작 및 사용이 용이한 장점을 갖는다.The acceleration sensor of the present invention has a relatively simple structure consisting of a base, a first piezoelectric element portion and a second piezoelectric element portion, and a first electrode and a second electrode, and thus it is easy to manufacture and use.

또한, 가속도 센서는 외팔보 구조를 가지고 있어 낮은 강성의 진동체를 만들 수 있고, 이를 이용해 같은 공진주파수를 가질 경우 가속도센서의 소형화/경량화가 가능하다. 또한 해당 진동방향에 대해 높은 압전상수를 가지는 [011] 방향으로 분극된 압전단결정 소재의 적용으로 높은 감도를 가질 수 있다. 외팔보 구조는 제1 및 제2 압전소자부의 변형량을 최대로 이용할 수 있으며, 베이스의 일단부에 중량부가 결합되어 감지 성능을 보다 향상시킬 수 있다.In addition, since the acceleration sensor has a cantilevered structure, it is possible to make a vibrating body of low rigidity, and if it has the same resonance frequency, it is possible to reduce the size/weight of the acceleration sensor. In addition, the application of a piezoelectric single crystal material polarized in the [011] direction having a high piezoelectric constant with respect to the vibration direction can have high sensitivity. The cantilever structure can maximize the amount of deformation of the first and second piezoelectric elements, and a weight portion is coupled to one end of the base to further improve sensing performance.

또한, 본 발명의 제1 가속도 센서와 제2 가속도 센서는 진동 방향 이외의 각도에서는 압전상수가 0(zero)이 되어 각각에서 설치된 방향으로 음파 감지가 가능하다. 하이드로폰의 신호와 제1 및 제2 가속도센서 신호를 합성하여 2축 음향 감지가 가능한 음향 벡터 센서를 구현할 수 있다.In addition, the first acceleration sensor and the second acceleration sensor of the present invention have a piezoelectric constant of 0 (zero) at an angle other than the vibration direction, so that sound waves can be detected in the directions installed in each of them. An acoustic vector sensor capable of detecting two-axis acoustics may be implemented by synthesizing the hydrophone signal and the first and second acceleration sensor signals.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 센서와 이를 구비하는 음향 벡터 센서를 보인 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 가속도 센서 중 하나를 분리하여 보인 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 가속도 센서에서 중량부가 제외된 형태를 보인 사시도이다.
도 4a와 도 4b는 도 3에 도시된 가속도 센서에서 발생하는 기계적 변형을 설명하기 위한 개념도들이다.
1 is a perspective view showing an acceleration sensor and an acoustic vector sensor having the same according to an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view showing one of the acceleration sensors shown in FIG. 1 separated.
3 is a perspective view showing a form in which a weight part is excluded from the acceleration sensor shown in FIG. 2.
4A and 4B are conceptual diagrams for explaining mechanical deformation occurring in the acceleration sensor shown in FIG. 3.

이하, 본 발명에 관련된 가속도 센서 및 이를 구비하는 음향 벡터 센서에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.Hereinafter, an acceleration sensor and an acoustic vector sensor having the same according to the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. In this specification, the same/similar reference numerals are assigned to the same/similar configurations even in different embodiments, and the description will be replaced with the first description. Singular expressions used in the present specification include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 센서(100)와 이를 구비하는 음향 벡터 센서(10)를 보인 사시도이다.1 is a perspective view showing an acceleration sensor 100 and an acoustic vector sensor 10 having the same according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 음향 벡터 센서(10)는, 하이드로폰(11)과 가속도 센서(100)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the acoustic vector sensor 10 includes a hydrophone 11 and an acceleration sensor 100.

하이드로폰(11)은, 후술할 가속도 센서(100)를 수용하는 중공부(11a)를 구비하고, 도 1에 도시된 바와 같이 일 방향으로 연장되는 원통 형상을 갖도록 이루어질 수 있다.The hydrophone 11 may include a hollow portion 11a for accommodating an acceleration sensor 100 to be described later, and may have a cylindrical shape extending in one direction as shown in FIG. 1.

하이드로폰(11)은, 후술할 가속도 센서(100)를 수용하는 중공부(11a)를 구비하고, 구형 형상을 갖도록 이루어질 수 있다. 또한, 하이드로폰(11)은 양단부에 개구부(O)를 구비하는 원통형의 구조로 이루어질 수도 있다.The hydrophone 11 may include a hollow portion 11a for accommodating an acceleration sensor 100 to be described later, and may have a spherical shape. In addition, the hydrophone 11 may have a cylindrical structure having openings O at both ends.

하이드로폰(11)은 압전소자로 PZT 계열의 압전세라믹 소재 또는 PMN-PT 등의 압전단결정 소재로 제작 될 수 있다.The hydrophone 11 is a piezoelectric element and may be made of a piezoelectric ceramic material of a PZT series or a piezoelectric single crystal material such as PMN-PT.

하이드로폰(11)은 전방위 동등한 음압을 측정가능한 Omni-directional 빔패턴을 가진다.The hydrophone 11 has an omni-directional beam pattern capable of measuring equal sound pressure in all directions.

가속도 센서(100)는 압전소자(piezoelectric element)를 구비하고, 하이드로폰(11)에 마련되는 상기 중공부(11a)에서 일단부는 고정되고 타단부는 자유로운 상태로 배치된다. 즉, 상기 가속도 센서(100)는, 타단부에 자유단(free end)이 형성되는 외팔보(cantilever) 구조를 갖도록 이루어진다. 여기서, 상기 가속도 센서(100)는, 외부에서 전달되는 음향파에 의해 상기 자유단이 형성되는 타단부가 진동을 일으키도록 구성된다. The acceleration sensor 100 includes a piezoelectric element, and in the hollow portion 11a provided in the hydrophone 11, one end is fixed and the other end is disposed in a free state. That is, the acceleration sensor 100 is configured to have a cantilever structure in which a free end is formed at the other end. Here, the acceleration sensor 100 is configured to cause vibration at the other end where the free end is formed by an acoustic wave transmitted from the outside.

상기 압전소자는, 압전 효과 즉, 기계적 압력을 인가하면 전압이 발생하고, 전압을 인가하면 기계적 변형이 생기는 현상을 지닌 소자로서, 외력을 가하면 전기 분극이 일어나서 전위차가 생기고, 반대로 전압을 가하면 변형이나 변형력이 생기는 성질을 가진 소자를 의미한다. 상기 가속도 센서(100)는 이와 같은 압전소자의 특성을 이용하여 음향파에 대한 가속도를 측정하도록 이루어진다.The piezoelectric element has a piezoelectric effect, that is, a voltage is generated when a mechanical pressure is applied, and a mechanical deformation occurs when a voltage is applied. When an external force is applied, electric polarization occurs, resulting in a potential difference. It refers to a device that has the property of generating deformation. The acceleration sensor 100 is configured to measure acceleration with respect to an acoustic wave by using the characteristics of the piezoelectric element.

그리고, 상기 가속도 센서(100)는 단수 또는 복수로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 가속도 센서(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 동일한 구조를 갖는 제1 가속도 센서(100a)와 제2 가속도 센서(100b)로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 제1 가속도 센서(100a)와 상기 제2 가속도 센서(100b)는, 상기 하이드로폰(11)의 중공부(11a)에서 각각 일단부는 고정되고 타단부는 자유단이 형성된 상태로 서로 마주보게 배치될 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 가속도 센서(100a,100b)는 진동 방향이 서로 교차하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 가속도 센서(100a,100b)는 음향파에 의해 발생하는 진동의 방향이 서로 수직을 이루도록 배치될 수 있다.In addition, the acceleration sensor 100 may be composed of a single number or a plurality of units. For example, as shown in FIG. 1, the acceleration sensor 100 may include a first acceleration sensor 100a and a second acceleration sensor 100b having the same structure. Here, the first acceleration sensor 100a and the second acceleration sensor 100b face each other with one end fixed and the other end formed in the hollow part 11a of the hydrophone 11, respectively. Can be arranged to see. In addition, the first and second acceleration sensors 100a and 100b may be disposed so that the vibration directions cross each other. For example, the first and second acceleration sensors 100a and 100b may be disposed so that directions of vibrations generated by acoustic waves are perpendicular to each other.

한편, 상기 하이드로폰(11)은 도 1에 도시된 바와 같이 일 방향으로 연장 형성되고, 상기 중공부(11a)와 연통하는 개구부(O)를 양단부에 구비할 수 있다. 그리고, 상기 음향 벡터 센서(10)는 엔드캡부(13)를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the hydrophone 11 may extend in one direction as shown in FIG. 1 and may have openings O communicating with the hollow part 11a at both ends. In addition, the acoustic vector sensor 10 may further include an end cap part 13.

상기 엔드캡부(13)는, 상기 하이드로폰(11)에 구비된 상기 개구부(O)에 결합되어 상기 하이드로폰(11)의 양단부를 폐쇄하도록 형성되며, 상기 제1 가속도 센서(100a)와 상기 제2 가속도 센서(100b)의 일단부에 결합되어, 외팔보 구조를 갖는 상기 제1 및 제2 가속도 센서(100a,100b)의 고정단을 형성하도록 이루어질 수 있다. 상기 엔드캡부(13)는 상기 제1 가속도 센서(100a) 측에 배치되는 제1 엔드캡(13a)과 상기 제2 가속도 센서(100b) 측에 배치되는 제2 엔드캡(13b)을 구비할 수 있다. 상기 엔드캡부(13)는, 음향 벡터 센서(10)가 수중에서 안정적으로 동작 가능하도록, 저비중 소재의 고분자 소재로 형성될 수 있다.The end cap part 13 is coupled to the opening O provided in the hydrophone 11 to close both ends of the hydrophone 11, and the first acceleration sensor 100a and the first 2 It may be coupled to one end of the acceleration sensor 100b to form a fixed end of the first and second acceleration sensors 100a and 100b having a cantilevered structure. The end cap part 13 may include a first end cap 13a disposed on the side of the first acceleration sensor 100a and a second end cap 13b disposed on the side of the second acceleration sensor 100b. have. The end cap part 13 may be formed of a polymer material of a low specific gravity material so that the acoustic vector sensor 10 can stably operate in water.

이하, 본 발명의 가속도 센서(100)에 대하여 도 2, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the acceleration sensor 100 of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 2, 4A and 4B.

도 2는 도 1에 도시된 가속도 센서(100) 중 하나를 분리하여 보인 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 가속도 센서(100a)에서 중량부(140)가 제외된 형태를 보인 사시도이며, 도 4a와 도 4b는 도 3에 도시된 가속도 센서(100)에서 발생하는 기계적 변형을 설명하기 위한 개념도들이다.FIG. 2 is a perspective view showing one of the acceleration sensors 100 shown in FIG. 1 separated, and FIG. 3 is a perspective view showing a form in which the weight part 140 is removed from the acceleration sensor 100a shown in FIG. 2, 4A and 4B are conceptual diagrams for explaining mechanical deformation occurring in the acceleration sensor 100 shown in FIG. 3.

도 4a 내지 도4b를 참조하면, 가속도 센서(100)는, 베이스(110), 제1 압전소자부(121) 및 제1 전극(131)과 제2 전극(132)을 포함한다.4A to 4B, the acceleration sensor 100 includes a base 110, a first piezoelectric element part 121, a first electrode 131 and a second electrode 132.

베이스(110)는, 도 1에 도시된 바와 같이 일 방향으로 연장 형성된다. 예를 들어, 상기 베이스(110)는, 스트랩(strap) 형상과 같이 일정 두께를 갖는 플레이트 형태로 이루어질 수 있다. The base 110 is formed to extend in one direction as shown in FIG. 1. For example, the base 110 may be formed in a plate shape having a predetermined thickness, such as a strap shape.

제1 압전소자부(121)와 제2 압전소자부(122)는, 압전소자(piezoelectric element)로 이루어지고, 각각의 일면이 베이스(110)의 일면과 타면에 각각 접하도록 형성되어 베이스(110)에 의해 지지된다. 상기 압전소자는, 위에서 설명한 바와 같이, 외력을 가하면 전기 분극이 일어나서 전위차가 생기고, 반대로 전압을 가하면 변형이나 변형력이 생기는 성질을 가진 소자를 의미한다. 또한, 상기 압전소자는, [011] 방향으로 분극된 압전 단결정 소재로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 압전 단결정 소재는, PMN-PT, PIN-PMN-PT, PIN-PMN-PT Mn dopped, PMN-PZT 및 PMN-PZT Mn dopped 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서 상기 [011] 방향은, 전극에 전위가 형성되는 방향(Z)의 압전단결정 소재의 결정구조 방향을 의미한다. 도 4b에 도시된 바와 같이 외팔보구조의 변형에 의해 제1 압전소자부(121) 및 제2 압전소자부(122)는 일방향으로 각각 압축 및 인장 변형이 발생하는데, [001] 방향으로 분극된 압전 단결정 소재는 이러한 길이방향의 변형에 높은 압전 특성을 가지는 것을 특징으로 한다.The first piezoelectric element portion 121 and the second piezoelectric element portion 122 are made of a piezoelectric element, and each one surface thereof is formed to contact one surface and the other surface of the base 110. ) Supported by As described above, the piezoelectric element refers to a device having a property of causing electric polarization to occur when an external force is applied to generate a potential difference, and to generate deformation or deformation when a voltage is applied on the contrary. In addition, the piezoelectric element may be made of a piezoelectric single crystal material polarized in the [011] direction. Here, the piezoelectric single crystal material may include at least one of PMN-PT, PIN-PMN-PT, PIN-PMN-PT Mn dopped, PMN-PZT, and PMN-PZT Mn dopped. Here, the [011] direction means a crystal structure direction of the piezoelectric single crystal material in the direction Z in which an electric potential is formed in the electrode. As shown in FIG. 4B, compression and tensile deformation occurs in the first piezoelectric element part 121 and the second piezoelectric element part 122 respectively in one direction by the deformation of the cantilever structure, and the piezoelectric polarized in the [001] direction. The single crystal material is characterized by having high piezoelectric properties against such deformation in the longitudinal direction.

보다 구체적으로, 상기 제1 및 제2 압전소자부(121,122)의 진동에 의한 변형 방향은, 제1 및 제2 압전소자부(121,122)가 연장되는 제2 방향 즉, 도 2 내지 도 4b에 도시된 Y축 방향으로 형성될 수 있고, 전기장의 방향은 상기 제1 및 제2 전극(131,132)이 서로 마주하는 제1 방향 즉, 도 2 내지 도 4b에 도시된 Z축 방향으로 형성된다. 이와 같은 제1 및 제2 압전소자부(121,122)의 진동 및 전기장 방향은 [32] 방향으로 표현될 수 있다.More specifically, the deformation direction of the first and second piezoelectric element portions 121 and 122 due to vibration is shown in the second direction in which the first and second piezoelectric element portions 121 and 122 extend, that is, FIGS. 2 to 4B. It may be formed in the Y-axis direction, and the direction of the electric field is formed in the first direction in which the first and second electrodes 131 and 132 face each other, that is, in the Z-axis direction shown in FIGS. 2 to 4B. The vibration and electric field directions of the first and second piezoelectric element portions 121 and 122 may be expressed in the [32] direction.

한편, 본 발명과 같이, 진동 방향이 [32]방향으로 사용될 때, 응력대비 변형율을 나타내는 2방향의 탄성컴플라이언스계수(s22)의 높은 압전 단결정 소재를 사용하면 외팔보의 강성을 낮추어 가속도센서의 전체질량을 줄일 수 있다. On the other hand, as in the present invention, when the vibration direction is used in the [32] direction, the use of a piezoelectric single crystal material having a high elastic compliance coefficient (s 22 ) in two directions representing strain versus stress reduces the stiffness of the cantilever to the overall acceleration sensor You can reduce the mass.

상기 압전 단결정 소재는 전술한 바와 같이, [011] 방향 분극하였을 때, 매우 높은 d32(630 ~ 2750 pC/N)값을 가져 고감도 감응이 가능하다. 또한, s22의 크기도 s33의 값보다 2배 이상 크므로 본 발명의 구조를 가속도센서의 소형화/경량화가 가능하다.As described above, when the piezoelectric single crystal material is polarized in the [011] direction, the piezoelectric single crystal material has a very high d32 (630 ~ 2750 pC/N) value and can be sensitive to high sensitivity. In addition, since the size of s 22 is also more than twice as large as the value of s 33 , the structure of the present invention can be made compact/lightweight.

제1 전극(131)과 제2 전극(132)은, 각각 상기 제1 압전소자부(131)와 상기 제2 압전소자부(132)의 타면에 즉, 상기 제1 및 제2 압전소자부(121,122)가 상기 베이스(110)와 접하는 일면의 반대면인, 제1 및 제2 압전소자부(121,122)의 타면에 접하도록 형성되고, 적어도 일부가 서로 마주보게 배치된다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 전극(131,132)은 상기 제1 및 제2 압접소자부(121,122)의 단부로부터 돌출 형성될 수 있으며, 상기 제1 및 제2 압전소자부(121,122)와 접하는 일면 중 상기 제1 및 제2 압접소자부(121,122)의 단부로부터 돌출 형성되어, 상기 제1 및 제2 압전소자부(121,122)에 접하지 않는 부분이 서로 마주보도록 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 전극(131,132)의 경우, 강도가 높은 금속재를 금으로 도금하는 등 공지된 전극 처리 방법을 통해 형성될 수 있다.The first electrode 131 and the second electrode 132 are respectively disposed on the other surfaces of the first piezoelectric element portion 131 and the second piezoelectric element portion 132, that is, the first and second piezoelectric element portions ( 121 and 122 are formed to contact the other surfaces of the first and second piezoelectric element portions 121 and 122, which are opposite surfaces of one surface in contact with the base 110, and at least some are disposed to face each other. For example, the first and second electrodes 131 and 132 may be formed to protrude from the ends of the first and second pressure contacting device parts 121 and 122, and contact the first and second piezoelectric device parts 121 and 122. One surface of the first and second piezoelectric element portions 121 and 122 may be formed to protrude from ends of the first and second piezoelectric element portions 121 and 122 so that portions not in contact with the first and second piezoelectric element portions 121 and 122 face each other. In addition, the first and second electrodes 131 and 132 may be formed through a known electrode treatment method, such as plating a metal material having high strength with gold.

여기서, 상기 가속도 센서(100)는, 제1 및 제2 전극(131,132) 측은 고정되고, 상기 베이스(110) 측은 자유단(free end)이 되도록 이루어질 수 있다. 또한, 상기 베이스(110)는, 상기 자유단이 형성되는 일단부로 갈수록 단면적이 감소하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 베이스(110)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 사다리꼴 모양을 갖는 플레이트 형상으로 이루어질 수 있다. 이와 같은, 구조에 의하면, 베이스(110)의 일단부에서 발생하는 진동량을 극대화시킬 수 있다. 또한, 상기 베이스(110)는 제1 및 제2 압접소자부(121,122)를 지지하는 역할 뿐만 아니라, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 그라운드 전극의 역할을 수행한다. 이에 따라, 상기 베이스(110)는, 이러한 기능을 수행할 수 있는 다양한 소재 중에 선택될 수 있으나, 스틸(steel) 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 제1 및 제2 압접소자부(121,122)의 경우에도, 베이스(110)와 같이 일정 두께를 갖는 스트랩 형태로 형성되는 것이 바람직하다.Here, the acceleration sensor 100 may be configured such that the first and second electrodes 131 and 132 sides are fixed, and the base 110 side is a free end. In addition, the base 110 may be formed to have a reduced cross-sectional area toward one end where the free end is formed. For example, the base 110 may be formed in a plate shape having a trapezoidal shape, as shown in FIG. 3. According to such a structure, the amount of vibration generated at one end of the base 110 can be maximized. In addition, the base 110 not only supports the first and second pressure contacting device portions 121 and 122, but also serves as a ground electrode as shown in FIGS. 4A and 4B. Accordingly, the base 110 may be selected from various materials capable of performing this function, but is preferably made of a steel material. In addition, in the case of the first and second pressure bonding element portions 121 and 122, it is preferable that they are formed in a strap shape having a predetermined thickness, like the base 110.

또한, 상기 제1 및 제2 전극(131,132)은, 일단부가 위에서 도 1을 참조하여 설명한 엔드캡부(13)에 각각 결합되고, 상기 제1 및 제2 전극(131,132) 측을 고정시켜 외팔보 구조의 상기 가속도 센서(100)의 고정단을 형성할 수 있다. 또한, 상기 엔드캡부(13) 중 제1 엔드캡(13a)을 예를 들어 설명하면, 제1 엔드캡(13a)은 제1 부분(13a')과 제2 부분(13a")으로 구성될 수 있으며, 상기 제1 및 제2 부분(13a',13a")이 상호 결합되어 상기 제1 및 제2 전극(131,132) 측을 고정시키도록 이루어질 수 있다.In addition, the first and second electrodes 131 and 132 are coupled to the end cap portion 13 described above with reference to FIG. 1 at one end, respectively, and fix the sides of the first and second electrodes 131 and 132 to have a cantilever structure. A fixed end of the acceleration sensor 100 may be formed. In addition, when describing the first end cap 13a among the end cap parts 13 as an example, the first end cap 13a may be composed of a first part 13a' and a second part 13a". In addition, the first and second portions 13a ′ and 13a ″ may be coupled to each other to fix the sides of the first and second electrodes 131 and 132.

한편, 상기 제1 및 제2 압전소자부(121,122)의 진동에 의한 변형 방향은, 제1 및 제2 압전소자부(121,122)가 연장되는 제2 방향 즉, 도 2 내지 도 4b에 도시된 Y축 방향으로 형성될 수 있고, 전기장의 방향은 상기 제1 및 제2 전극(131,132)이 서로 마주하는 제1 방향 즉, 도 2 내지 도 4b에 도시된 Z축 방향으로 형성된다. 이와 같은 제1 및 제2 압전소자부(121,122)의 진동 및 전기장 방향은 [32] 방향으로 표현될 수 있다.On the other hand, the deformation direction by the vibration of the first and second piezoelectric element portions 121 and 122 is a second direction in which the first and second piezoelectric element portions 121 and 122 extend, that is, Y shown in FIGS. 2 to 4B. It may be formed in an axial direction, and the direction of the electric field is formed in a first direction in which the first and second electrodes 131 and 132 face each other, that is, in the Z-axis direction shown in FIGS. 2 to 4B. The vibration and electric field directions of the first and second piezoelectric element portions 121 and 122 may be expressed in the [32] direction.

또한, 가속도 센서(100)는, 중량부(140)를 더 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 제1 가속도 센서(100a)를 예를 들어 설명하면, 중량부(140)는, 상기 베이스(110)에서 상기 자유단이 형성되는 일단부에 결합될 수 있다. 또한, 상기 베이스(110)는, 상기 자유단이 형성되는 일단부에서 제1 및 제2 압전소자부(121,122)로부터 돌출 형성되는 노출부(110a)를 구비할 수 있으며, 이때, 상기 중량부(140)는 상기 베이스(110)에 형성되는 노출부(110a)의 적어도 일부를 감싸도록 형성될 수 있다. 중량부(140)는 텅스텐 등 비교적 밀도가 높은 재질로 형성될 수 있다. 상기 중량부(140)의 구성에 의해, 상기 가속도 센서(100)의 상기 자유단에 배치되어, 제1 및 제2 압전소자부(121,122)의 진동을 더욱 증폭시켜 감도를 향상시킬 수 있다. 여기서의 진동은 가속도 센서(100) 자체의 진동으로, 추의 진동이 증폭되면, 제1 및 제2 압전소자부(121,122)의 변형량 또한 증가하게 된다. 또한, 중량부(140)는, 베이스(110)의 일면과 타면을 각각 덮도록 형성되는 제1 중량부재(141)와 제2 중량부재(142)로 이루어질 수 있다.In addition, the acceleration sensor 100 may further include a weight part 140. When the first acceleration sensor 100a illustrated in FIG. 2 is described as an example, the weight part 140 may be coupled to one end of the base 110 at which the free end is formed. In addition, the base 110 may include an exposed portion 110a protruding from the first and second piezoelectric element portions 121 and 122 at one end portion where the free end is formed, and in this case, the weight portion ( 140 may be formed to surround at least a portion of the exposed portion 110a formed on the base 110. The weight part 140 may be formed of a material having a relatively high density, such as tungsten. By the configuration of the weight part 140, it is disposed at the free end of the acceleration sensor 100, and the vibration of the first and second piezoelectric element parts 121 and 122 can be further amplified, thereby improving sensitivity. The vibration here is the vibration of the acceleration sensor 100 itself, and when the vibration of the weight is amplified, the amount of deformation of the first and second piezoelectric elements 121 and 122 also increases. In addition, the weight part 140 may include a first weight member 141 and a second weight member 142 formed to cover one surface and the other surface of the base 110, respectively.

또한, 가속도 센서(100)는, 수지부(150)를 더 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 제1 가속도 센서(100a)를 참조하여 설명하면, 수지부(150)는, 상기 제1 및 제2 중량부재(141,142)와 베이스(110)의 이격된 공간에 형성되어 상기 베이스(110) 상에 상기 제1 및 제2 중량부재(141,142)를 안정적으로 고정시킬 수 있다. 상기 수지부(150)는 예를 들어, 에폭시로 이루어질 수 있다.In addition, the acceleration sensor 100 may further include a resin part 150. When described with reference to the first acceleration sensor 100a shown in FIG. 2, the resin part 150 is formed in a space spaced apart from the first and second weight members 141 and 142 and the base 110 to be The first and second weight members 141 and 142 may be stably fixed on (110). The resin part 150 may be made of, for example, epoxy.

이상의 설명에 의한 본 발명의 가속도 센서(100) 및 이를 구비하는 음향 벡터 센서(10)는 제1 및 제2 압전소자부(121,122)의 분극방향 및 제1 및 제2 전극(131,132)의 배치, 제1 및 제2 압전소자부(121,122)의 진동 방향을 고려하여 가속도 센서(100)를 외팔보 형태로 형성함에 따라, 각각의 가속도 센서(100) 간의 간섭이 발생하지 않으므로, 하나의 패키지로 2축 감지가 가능하다. 또한 소형화, 경량화가 가능한 가속도 센서(100) 구조를 이용하여 중공형 하이드로폰(11) 내부에 삽입한, 음향 벡터 센서(10)를 구현할 수 있고, 이는 가속도 센서의 음향 탐지 위치와 하이드로폰의 음향 탐지위치를 동일하도록 하여 측정정확도를 올릴 수 있는 효과를 갖는다.According to the above description, the acceleration sensor 100 and the acoustic vector sensor 10 having the same include the polarization directions of the first and second piezoelectric elements 121 and 122 and the arrangement of the first and second electrodes 131 and 132, As the acceleration sensor 100 is formed in a cantilever shape in consideration of the vibration directions of the first and second piezoelectric elements 121 and 122, since interference between the acceleration sensors 100 does not occur, a single package Detection is possible. In addition, it is possible to implement an acoustic vector sensor 10 inserted into the hollow hydrophone 11 by using the structure of the acceleration sensor 100 capable of miniaturization and weight reduction, which is the acoustic detection position of the acceleration sensor and the sound of the hydrophone. It has the effect of increasing the measurement accuracy by making the detection location the same.

전술한 내용은 단지 예시적인 것에 불과하며, 설명된 실시예들의 범주 및 기술적 사상을 벗어남이 없이, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 수정들이 이루어질 수 있다. 전술한 실시예들은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 구현될 수 있다.The above description is merely exemplary, and various modifications may be made by those of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains, without departing from the scope and technical spirit of the described embodiments. The above-described embodiments may be implemented individually or in any combination.

100 : 가속도 센서 110 : 베이스
110a : 노출부 121 : 제1 압전소자부
122 : 제2 압전소자부 131 : 제1 전극
132 : 제2 전극 140 : 중량부
141 : 제1 중량부재 142 : 제2 중량부재
150 : 수지부 10 : 음향 벡터 센서
11 : 하이드로폰 11a : 중공부
13 : 엔드캡부 13a : 제1 엔드캡
13b : 제2 엔드캡
100: acceleration sensor 110: base
110a: exposed portion 121: first piezoelectric element portion
122: second piezoelectric element part 131: first electrode
132: second electrode 140: parts by weight
141: first weight member 142: second weight member
150: resin part 10: acoustic vector sensor
11: hydrophone 11a: hollow part
13: end cap portion 13a: first end cap
13b: second end cap

Claims (13)

일 방향으로 연장 형성되는 베이스;
압전소자(piezoelectric element)로 이루어지고, 각각의 일면이 상기 베이스의 일면과 타면에 각각 접하도록 형성되어 상기 베이스에 의해 지지되는 제1 압전소자부와 제2 압전소자부; 및
각각 상기 제1 및 제2 압전소자부의 타면에 접하도록 형성되고, 적어도 일부가 서로 마주보게 배치되는 제1 전극과 제2 전극을 포함하고,
상기 제1 및 제2 전극 측은 고정되며, 상기 베이스 측은 자유단(free end)이 되는 가속도 센서.
A base extending in one direction;
A first piezoelectric element portion and a second piezoelectric element portion formed of a piezoelectric element, each of which is formed to contact one surface and the other surface of the base and supported by the base; And
Each includes a first electrode and a second electrode formed to contact the other surfaces of the first and second piezoelectric elements, and at least partially disposed to face each other,
The first and second electrode sides are fixed, and the base side is an acceleration sensor having a free end.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 압전소자부의 진동 방향은, 전기장이 상기 제1 및 제2 전극이 서로 마주하는 제1 방향으로 형성되고, 변형은 상기 제1 및 제2 압전소자부가 연장되는 제2 방향으로 형성되는 가속도 센서.
The method of claim 1,
The vibration direction of the first and second piezoelectric element portions is formed in a first direction in which the first and second electrodes face each other, and the deformation is in a second direction in which the first and second piezoelectric element portions extend. Acceleration sensor formed.
제1항에 있어서,
상기 베이스는, 상기 자유단이 형성되는 일단부로 갈수록 단면적이 감소하게 형성되는 가속도 센서.
The method of claim 1,
The base is an acceleration sensor that is formed such that a cross-sectional area decreases toward one end where the free end is formed.
제1항에 있어서,
상기 압전소자가, [011] 방향으로 분극된 압전 단결정 소재로 이루어진 가속도 센서.
The method of claim 1,
The acceleration sensor made of a piezoelectric single crystal material in which the piezoelectric element is polarized in the [011] direction.
제4항에 있어서,
상기 압전 단결정 소재는 PMN-PT, PIN-PMN-PT, PIN-PMN-PT Mn dopped, PMN-PZT 및 PMN-PZT Mn dopped 중 적어도 하나를 포함하는 가속도 센서.
The method of claim 4,
The piezoelectric single crystal material is an acceleration sensor comprising at least one of PMN-PT, PIN-PMN-PT, PIN-PMN-PT Mn dopped, PMN-PZT and PMN-PZT Mn dopped.
제1항에 있어서,
상기 베이스에서 상기 자유단이 형성되는 일단부에 결합되는 중량부를 더 포함하는 가속도 센서.
The method of claim 1,
Acceleration sensor further comprising a weight portion coupled to one end portion of the free end is formed in the base.
제6항에 있어서,
상기 베이스는, 상기 자유단이 형성되는 일단부에서 상기 제1 및 제2 압전소자부로부터 돌출 형성되는 노출부를 구비하고,
상기 중량부는 상기 노출부의 적어도 일부를 감싸도록 형성되는 가속도 센서.
The method of claim 6,
The base includes an exposed portion protruding from the first and second piezoelectric element portions at one end portion where the free end is formed,
The acceleration sensor is formed so as to surround at least a portion of the weight portion of the exposed portion.
제1항 내지 제7항에 중 어느 한 항에 따른 가속도 센서; 및
중공부를 구비하며, 상기 중공부에 상기 가속도 센서를 수용하는 하이드로폰을 포함하는 음향 벡터 센서.
The acceleration sensor according to any one of claims 1 to 7; And
An acoustic vector sensor comprising a hydrophone having a hollow portion and accommodating the acceleration sensor in the hollow portion.
제8항에 있어서,
상기 가속도 센서는, 각각의 상기 자유단이 서로 마주보게 배치되는 제1 가속도 센서와 제2 가속도 센서로 이루어지고,
상기 제1 가속도 센서와 상기 제2 가속도 센서는, 진동 방향이 서로 교차하도록 이루어지는 음향 벡터 센서.
The method of claim 8,
The acceleration sensor includes a first acceleration sensor and a second acceleration sensor, wherein each of the free ends is disposed to face each other,
The first acceleration sensor and the second acceleration sensor are acoustic vector sensors such that vibration directions cross each other.
제9항에 있어서,
상기 제1 및 제2 가속도 센서는, 진동 방향이 서로 수직을 이루도록 배치되는 음향 벡터 센서.
The method of claim 9,
The first and second acceleration sensors are acoustic vector sensors disposed so that vibration directions are perpendicular to each other.
제8항에 있어서,
상기 하이드로폰은 일 방향으로 연장 형성되며, 양단부에 개구부를 구비하고,
상기 개구부에 결합되어 상기 하이드로폰의 양단부를 폐쇄하도록 형성되고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 일단부에 각각 결합되어, 상기 제1 및 제2 전극 측을 고정시키는 엔드캡부를 더 포함하는 음향 벡터 센서.
The method of claim 8,
The hydrophone is formed extending in one direction and has openings at both ends,
It is coupled to the opening and formed to close both ends of the hydrophone, and is coupled to one end of the first electrode and the second electrode, respectively, further comprising an end cap portion for fixing the side of the first and second electrodes Acoustic vector sensor.
중공부를 구비하는 하이드로폰; 및
압전소자(piezoelectric element)를 구비하고, 상기 하이드로폰의 중공부에서 각각 일단부는 고정되며 타단부는 자유로운 상태로 서로 마주보게 배치되며, 전달되는 음향파에 의해 서로 마주보는 타단부가 진동을 일으키도록 구성되는 제1 가속도 센서와 제2 가속도 센서를 포함하고,
상기 제1 및 제2 가속도 센서는, 진동 방향이 서로 교차하도록 배치되는 음향 벡터 센서.
Hydrophone having a hollow portion; And
A piezoelectric element is provided, and in the hollow part of the hydrophone, one end is fixed and the other end is arranged to face each other in a free state, and the other end facing each other is vibrated by the transmitted acoustic wave. Including a configured first acceleration sensor and a second acceleration sensor,
The first and second acceleration sensors are acoustic vector sensors disposed such that vibration directions cross each other.
제12항에 있어서,
상기 제1 및 제2 가속도 센서는, 진동 방향이 서로 수직을 이루도록 배치되는 음향 벡터 센서.
The method of claim 12,
The first and second acceleration sensors are acoustic vector sensors disposed so that vibration directions are perpendicular to each other.
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