KR101496668B1 - 변환기 장치 및 이를 조립하는 방법 - Google Patents

변환기 장치 및 이를 조립하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 변환기 장치(10)에 관한 것으로서, 상기 변환기 장치는: 음향 멤브레인(14); 상기 음향 멤브레인에 장착된 압전 소자(12); 마주보게 정렬된 2개의 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)로서, 상기 음향 멤브레인의 둘레 부분(22)이 그 사이에 샌드위치식으로 지지되는, 2개의 탄성 감쇠 요소; 그리고 상기 2개의 탄성 감쇠 요소가 그 사이에 클램핑되는 2개의 표면(30a, 30b)을 가지는 클램프(28)로서, 상기 2개의 탄성 감쇠 요소가 함께 가압되어 상기 음향 멤브레인의 둘레 부분이 상기 2개의 탄성 감쇠 요소들 사이에 고정된다. 본 발명은 또한 변환기 장치를 조립하는 방법에 관한 것이다.

Description

변환기 장치 및 이를 조립하는 방법{TRANSDUCER DEVICE AND METHOD OF ASSEMBLING THE SAME}
본 발명은 압전 변환기 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 압전 변환기 장치를 조립하는 방법에 관한 것이다.
압전압은 기계적으로 변형되었을 때 일부 물질, 예를 들어 일부 결정에서 발생되는 전압이다. 반대로 설명하면, 물질에 걸쳐 인가된 전압은 그 물질의 기계적 변화를 유발한다. 이러한 압전 원리를 여러 분야, 예를 들어 압전 압력 센서, 마이크로폰, 라우드스피커, 액츄에이터, 및 기타 변환기에서 이용한다는 것은 널리 공지되어 있다.
압전 변환기 장치의 한 예, 즉 압전 스피커가 GB 1310853에 개시되어 있다. GB 1310853의 압전 스피커는 얇은 원형 박막(diaphragm)에 장착된 원형 압전 소자를 포함한다. 얇은 원형 박막의 원주는 하우징의 일 부분인 지지 부재 상에서 지지되고, 조임(tightening) 부재에 의해서 타이트하게 클램핑된다. 일 실시예에서, 탄성 물질로 이루어진 환형 부재가 얇은 박막과 지지부재와 조임 부재 사이에 각각 배치되어 원형 박막을 감쇠(damp)시킨다. 그러나, 이러한 해결방안에서, 조임 부재를 지지 부재에 체결하기 위한 수단이 요구되며, 이는 스피커의 구성 및 조립을 복잡하게 만든다.
본 발명의 목적은 이러한 문제점들을 적어도 부분적으로 극복하는 것이고, 그리고 특히 조립이 용이하고 또한 양호한 감쇠 특성을 가질 수 있는 개선된 압전 장치를 제공하는 것이다.
이하의 발명의 요약 구체적인 설명으로부터 분명히 이해될 수 있는 이러한 목적들 및 다른 목적들은 특허청구범위에 기재된 압전 변환기 장치 및 그러한 압전 변환기 장치를 조립하는 방법에 의해서 달성된다.
본 발명의 하나의 측면에 따라서, 변환기 장치가 제공되며, 그러한 변환기 장치는: 음향 멤브레인(acoustic membrane); 상기 음향 멤브레인에 장착된 압전 소자; 마주보게 정렬된 2개의 탄성 감쇠 요소로서, 음향 멤브레인의 둘레 부분이 그 사이에 샌드위치식으로 지지되는, 2개의 탄성 감쇠 요소; 그리고 2개의 탄성 감쇠 요소가 사이에 클램핑되는 2개의 표면을 가지는 클램프로서, 상기 2개의 탄성 감쇠 요소가 함께 가압되어 상기 음향 멤브레인의 둘레 부분이 2개의 탄성 감쇠 요소들 사이에 고정되는, 클램프를 포함한다.
그에 따라, 본 발명에서, 단일 부재(즉, 클램프)로 충분히 2개의 탄성 감쇠 요소를 함께 구속 또는 홀딩(hold)할 수 있으며, 이는 변환기 요소의 구성 및 조립을 단순화시킬 수 있을 것이다. 또한, 음향 멤브레인의 둘레 부분을 2개의 탄성 감쇠 요소들 사이에 고정함으로써, 음향 멤브레인의 양호한 감쇠가 달성될 수 있을 것이다. 또한, 가혹한 조건하에서도 장치의 기능을 유지하기 위해서, 2개의 탄성 감쇠 요소가 (예를 들어, 주변 조건으로 인해서) 수축 또는 팽창할 수 있도록 클램프가 탄성을 가질 수도 있을 것이다. 탄성 특성은 클램프 크기를 적절하게 결정하거나 및/또는 성형하거나 및/또는 클램프의 재료를 적절히 선택함으로써 달성될 수 있을 것이다.
비록 2개의 탄성 감쇠 요소 중 하나가 압전 소자의 일부분과 결합하도록 2개의 탄성 감쇠 요소가 음향 멤브레인/압전 소자의 중심을 향해서 추가로 연장될 수 있지만, 2개의 탄성 감쇠 요소가 예를 들어 컵이나 링과 같이 음향 멤브레인의 둘레 부분만을 결합하도록 적절하게 성형되는 것이 바람직할 것이다.
일 실시예에서, 클램프는 실질적으로 U-자 형상이며, 이때 2개의 표면은 링킹(linking) 부분에 의해서 연결되는 2개의 아암(arm)이다. U-자 형상 클램프의 경우에, 전술한 탄성 특성이 매우 용이하게 얻어질 수 있을 것이며, 2개의 탄성 감쇠 부분이 용이하게 장착되고 수용될 수 있을 것이다. 그 대신에, 클램프가 긴 형태의 O 형상을 가질 수 있을 것이며, 이때 2개의 표면들은 2개의 링킹 부분들에 의해서 연결된다.
일 실시예에서, 클램프는 음향 멤브레인과 도파관 사이의 음향 통신을 허용하기 위해서 관통 개구부를 구비한다. 도파관은 변환기의 내외로 음향 신호를 안내하는 역할을 하며, 그러한 도파관은 상기 장치의 일부일 수 있고 또는 외부 도파관일 수 있다.
일 실시예에서, 변환기 장치는 변환기 장치의 나머지를 외부 베이스에 부착하기 위한 하나 이상의 추가적인 탄성 감쇠 요소를 더 포함한다. 추가적인 탄성 감쇠 요소(들)는 원치않는 진동을 흡수할 수 있을 것이며 변환기 장치의 나머지 부분의 내외로 전달되는 것을 방지할 수 있을 것이다. 그러한 추가적인 탄성 감쇠 요소는 클램프 내의 홀(holes) 내에, 예를 들어 전술한 관통 개구부(이러한 경우에, 추가적인 탄성 감쇠 요소는 바람직하게 음향 통신을 유지하도록 성형된 링이다) 내에, 또는 지정된(dedicated) 홀 내에 끼워질 수 있을 것이다. 그 대신에, 추가적인 탄성 감쇠 요소가 클램프의 외부에 부착(예를 들어, 아교 접착)될 수 있을 것이다. 전자의 변형예는 아교접착 등과 같은 것이 필요치 않다는 이점이 있다.
일 실시예에서, 클램프는 금속으로 제조되며, 그러한 금속은 탄성 특성을 달성하는 동시에 여러 가지 작동 분위기에 견딜 수 있도록 선택되고 치수가 결정될 것이다. 그 대신에, 보다 제한된 온도 범위에서 사용하기 위한 경우에, 클램프가 플라스틱으로 제조될 수 있을 것이다.
일 실시예에서, 음향 멤브레인의 둘레 부분은 음향 멤브레인의 진동 노드(node)를 포함한다. 진동 노드는 멤브레인 진동할 때 진폭이 최소화되는 비-고정(non-secured) 멤브레인을 따른 지점이다. 이는 음향 멤브레인의 감쇠를 추가적으로 개선할 것이다.
일 실시예에서, 2개의 탄성 감쇠 요소의 각각은 리세스(recess)를 포함하며, 2개의 리세스는 멤브레인의 비(non)-지지 부분을 수용하기 위한 공동을 함께 형성한다. 그에 따라, 2개의 대향된 탄성 감쇠 요소가 음향 멤브레인 및 압전 소자를 다소간(more or less) 둘러쌀 것이며, 그에 따라 원하지 않는 진동의 전달을 방지 또는 감소시키는 한편, 음향 멤브레인과 마주하는 각각의 비-리세스형 부분이 음향 멤브레인의 둘레 부분을 고정하도록 구성될 수 있을 것이다. 이러한 실시예에서, 전술한 도파관을 이용할 때, 클램프 내의 관통 개구부 다음의 탄성 감쇠 요소는 음향 멤브레인과 도파관 사이의 음향 통신을 유지하기 위한 개구부를 구비하여야 한다. 다른 실시예에서, 2개의 대향하는 탄성 감쇠 요소가 원 또는 링 형상을 가질 수 있을 것이다.
일 실시예에서, 상기 장치는 음향 멤브레인 및/또는 압전 소자와 접촉하는 하나 이상의 전기 전도성 와이어를 추가로 포함하며, 상기 하나 이상의 와이어는 탄성 감쇠 요소들 사이에서 장치내에 샌드위치된다. 이러한 방식에서, 와이어(들)를 음향 멤브레인 또는 압전 소자에 연결하기 위한 납땜 등이 필요치 않으며, 와이어(들)에서의 진동이 완화될 수 있을 것이다.
본 발명의 다른 측면에 따라서, 음향 멤브레인에 장착된 압전 소자를 포함하는 변환기 장치를 조립하는 방법이 제공되며, 상기 방법은: 음향 멤브레인의 둘레 부분이 2개의 탄성 감쇠 요소들 사이에 샌드위치식으로 지지되도록 2개의 탄성 감쇠 요소들 사이에 음향 멤브레인을 위치시키는 단계; 그리고 2개의 탄성 감쇠 요소들이 서로 가압되도록 2개의 탄성 감쇠 요소들을 클램프의 2개의 표면들 사이에 위치시키는 단계를 포함하며, 그에 따라 음향 멤브레인의 둘레 부분이 2개의 탄성 감쇠 요소들 사이에 고정된다. 이러한 측면은 본 발명의 전술한 측면과 유사한 이점을 가질 것이고 유사한 특징을 나타낼 것이다.
이하에서는, 본원 발명의 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 상기 측면들 및 다른 측면들에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 변환기 장치의 측단면도이다.
도 2는 도 1의 압전 변환기 장치를 적어도 부분적으로 분해하여 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 변환기 장치의 부분적인 측단면도이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 변환기 장치(10)를 도시한다. 개략적으로 설명하면, 변환기 장치(10)는 전기 신호를 음향 신호로, 그리고 그 반대로 변환하도록 구성되며, 다시 말해서 그러한 변환기 장치는 전기-음향 변환기이다.
변환기 장치(10)는 음향 멤브레인(14)의 일 측부(side)의 중심에 장착되는 압전 소자(12)를 포함한다. 압전 소자(12) 및 음향 멤브레인(14)은 바람직하게 도 2에 도시된 바와 같이 원형이지만, 다른 형상, 예를 들어 사각형 형상도 가질 수 있을 것이다. 압전 소자(12)는 예를 들어 압전-크리스탈로 제조될 수 있을 것이며, 음향 멤브레인(14)은 얇은 금속, 예를 들어 황동 또는 스테인리스 스틸 등으로 제조될 수 있을 것이다. 희망하는 음향 특성 및 예상되는 작동 분위기 등을 고려하여 재료가 선택된다. 압전 소자(12)는 예를 들어 아교접착에 의해서 음향 멤브레인(14)에 장착될 수 있다. 또한, 압전 소자(12)의 지름은 14 mm 정도(the order of)가 될 수 있고, 음향 멤브레인(14)의 지름은 20 mm 정도가 될 수 있다.
변환기 장치(10)는 2개의 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)를 더 포함한다. 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)는 서로 대향하여 정렬되는데, 압전 소자(12)와 음향 멤브레인(14)의 각각의 측부상에 하나씩 정렬된다. 음향 멤브레인(14)에 마주하여, 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)는 환형 돌출부(20a, 20b)를 형성하는 대향하는 원형 베이스 리세스(18a, 18b)를 각각 구비하며, 그에 따라 탄성 감쇠 요소(16a)가 음향 멤브레인(14)의 둘레 부분(22)의 일 측부와 접촉 및 지지하고 그리고 다른 탄성 감쇠 요소(16b)가 음향 멤브레인(14)의 둘레 부분(22)의 반대쪽 측부와 접촉 및 지지하며, 음향 멤브레인(14)(그리고 압전 소자(12))의 중앙의 비-지지 부분(24)은 2개의 원형 베이스 리세스(18a, 18b)에 의해 형성된 공동(26) 내에 수용된다. 그에 따라, 음향 멤브레인(14)의 둘레 부분(22)은 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)들 사이에 샌드위치되고, 공동(26)은 압전 소자(12) 및 음향 멤브레인(14)에 의해서 분할된다. 바람직하게, 지지된 둘레 부분(22)은 음향 멤브레인(14)의 진동 노드를 포함한다. 이를 위해서, 20 mm 음향 멤브레인(14)의 경우에, 지지된 둘레 부분(22)이 20 mm의 외경과 약 14 mm의 내경을 가질 수 있을 것이다. 결과적으로, 이러한 특정 경우에, 원형 베이스 리세스(18a, 18b)의 내경은 14 mm이다. 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)는 러버(rubber) 등과 같은 적절한 물질로 제조되어야 한다. 만약 음향 멤브레인(14)이 비-원형 형상(예를 들어, 사각형 형상)을 가진다면, 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)는 음향 멤브레인(14)에 매칭되게 그에 상응하여 성형되어야 할 것이다.
전술한 치수(dimensions)들은 예시적인 것이며, 예를 들어 희망 공진 주파수에 따라서 달라질 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다. 또한, 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)의 외경은 음향 멤브레인(14)의 지름과 상이할 수도 있을 것이다. 또한, 압전 소자(12)의 지름은 지지된 둘레 부분(22)/원형 베이스 리세스(18a, 18b)의 내경과 상이할 수 있을 것이다.
변환기 장치(10)는 U-자형 클램프(28)를 더 포함한다. U-자형 클램프(28)는 부분(32)에 의해서 링크된 2개의 실질적으로 평행하고 평평한(flat) 아암(30a, 30b)을 구비하며, 상기 아암(30a, 30b)은 표면들을 형성하고, 그러한 표면들 사이에는 2개의 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)(그리고 결과적으로 압전 소자(12) 및 음향 멤브레인(14))가 클램핑된다. 2개의 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)가 아암(30a, 30b)들 사이에 위치될 때, 서로 반대되는 방향으로(도 2의 z-방향을 따른 방향으로) 2개의 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)를 가압하는 힘이 생성되도록 U-자형 클램프(28)가 형성되며, 그에 따라 음향 멤브레인(14)의 둘레 부분(22)이 2개의 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)들 사이에서 확실하게 고정된다. 이를 위해서, 초기에는 2개의 아암(30a, 30b)들 사이의 갭이 2개의 탄성 감쇠 요소(16a, 16b) 그리고 압전 소자(12) 그리고 음향 멤브레인(14)을 포함하는 적층체의 전체 높이 보다 약간 좁아지도록 U-자형 클램프(28)의 크기가 결정될 수 있을 것이며, 그에 따라 아암(30a, 30b)들 사이에 끼워졌을 때 2개의 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)가 압축되도록 할 수 있을 것이다. 추가적으로 또는 보완적으로, 큰 적층체(2개의 탄성 감쇠 요소(16a, 16b) 그리고 압전 소자(12) 그리고 음향 멤브레인(14))가 U-자형 클램프(28) 내로 밀어 넣어질 때, U-자형 클램프(28)가 편향되지 않은 상태로 돌아가려고 함에 따라 적층체를 가압하는 힘이 생성되도록, U-자형 클램프(28)는 정상 상태 또는 편향되지 않은 상태에서 약간의 탄성을 가질 수 있을 것이다. 이를 위해서, U-자형 클램프(28)는 금속으로 제조되는 것이 바람직하나, 일부 용도에서 플라스틱으로 제조될 수도 있을 것이다. 선택적으로, 2개의 탄성 감쇠 요소(16a, 16b) 중 하나 이상이 서로에 대해서 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)들을 측방향으로 지지하기 위해서 플랜지 등(도시하지 않음)을 구비할 수 있을 것이다. 또한, 아암(30a, 30b)의 폭은 바람직하게 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)의 폭과 매칭된다. 보다 넓은 아암(30a, 30b)이 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)를 클램핑된 상태로 유지할 것이나, 이는 변환기 장치(10)의 크기를 지나치게 크게 할 수도 있을 것이다. 그 보다 좁은 아암들도 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)를 클램핑된 상태로 유지할 수 있을 것이다. 만족스러운 회전 지지를 제공하지 못할 수도 있을 것이다.
또한, U-자형 클램프(28)는 도 1 및 도 2의 바닥쪽 아암(30a) 내의 관통 개구부(34)를 포함한다. 관통 개구부(34)는 압전 소자(12) 및 음향 멤브레인(14)의 중심과 실질적으로 정렬된다. 관통 개구부(34)는 환형 또는 링 형상의 부가적인 탄성 감쇠 요소(36)를 수용하도록 구성된다. 부가적인 탄성 감쇠 요소(36)는 관통 개구부(34)의 내부를 향해서 끼워지고 그리고 도 1의 아래쪽 방향을 따라 클램프(28)의 외부로 연장된다. 부가적인 탄성 감쇠 요소(36)는 바닥 외부 베이스(38)에 대항하여 변환기 장치를 탄성적으로 지지하는 역할을 하고 그리고 변환기 장치(10)의 바닥 장착 지점으로서 기능한다. 부가적인 탄성 감쇠 요소(36)는 예를 들어 요소(16a, 16b)와 동일한 타입의 물질로 제조될 수 있을 것이다. 부가적인 탄성 감쇠 요소(36) 및 하부 요소(16a)가 하나의 물질 피스(piece)로 형성될 수도 있을 것이다. 바람직하게, 바닥 외부 베이스(38)는 부가적인 탄성 감쇠 요소(36)를 수용하기 위한 리세스(40)를 포함하며, 그에 따라 변환기 장치(10)를 이러한 지점에 부착하는데 있어서 아교접착 등을 필요로 하지 않는다.
또한, 리세스(18a)에 의해서 형성된 공동(26)의 부분까지 연장되는 바닥의 탄성 감쇠 요소(16a) 내에 제공된 상응하는 제 2 관통 개구부(42)와 함께, 부가적인 탄성 감쇠 요소(36)와 함께하는 관통 개구부(34)는 음향 신호가 통과할 수 있는 채널(44)을 생성한다. 음향 멤브레인(14)쪽 단부의 반대쪽의 채널(44) 단부에 도파관(46)이 제공된다. 그러한 도파관(46)은 변환기 장치(10)의 일부일 수 있고 또는 외부 도파관일 수도 있다. 채널(44)을 통해서, 도파관(46)은 음향 멤브레인(14)과 음향 통신되며, 즉 음향 신호가 도파관(46)과 음향 멤브레인(14) 사이에서 이동될 수 있을 것이다. 관통 개구부(34), 부가적인 탄성 감쇠 요소(36), 제 2 관통 개구부(42), 채널(44) 및 도파관(46)의 단면들이 원형으로 도시되어 있으나, 직사각형 또는 정사각형과 같은 다른 형상도 가질 수 있을 것이다.
변환기 장치(10)는 U-자형 클램프(38)의 상부 아암(30b) 내의 홀(50) 내에 제공된 (상부) 탄성 감쇠 요소(48)를 더 포함한다. 여기에서, 홀(50) 및 상부 탄성 감쇠 요소(48)의 개체수는 4개이나, 이와 다른 개체수도 이용될 수 있을 것이다. 상부 탄성 감쇠 요소(48)는 (상부) 외부 베이스(52)에 대항하여 변환기 장치를 탄성적으로 지지하는 역할을 하고 그리고 변환기 장치(10)의 상부 장착 지점으로서 기능한다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이 상부 아암(30b)의 각 모서리에 하 나씩 정렬되었을 때(즉, 정사각형 또는 직사각형 패턴), 상부 탄성 감쇠 요소들은 x-방향 및 y-방향 모두를 중심으로 틸팅되는 것 또는 회전되는 것으로부터 클램프를 지지하는 역할을 한다. 홀(50)은 상부 탄성 감쇠 요소(48)를 측방향으로 고정하는 역할을 하고, 상부 탄성 감쇠 요소(48)를 변환기 장치의 나머지에 아교접착 등을 할 필요성이 없게 된다. 상부 탄성 감쇠 요소(48)는 예를 들어 요소(16a, 16b)와 동일한 타입의 물질로 제조될 수 있으며, 그리고 사각형 또는 원형 블록으로서 (매칭된 홀(50)과 함께) 형성될 수도 있을 것이다. 상부 탄성 감쇠 요소(48) 및 상부 요소(16b)가 물질의 하나의 피스로서 형성될 수도 있을 것이다. 바람직하게, 상부 베이스(52)는 상부 탄성 감쇠 요소(48)를 수용하기 위한 리세스(54)를 포함하며, 그에 따라 이들 지점에 변환기 장치(10)를 부착하기 위한 아교접착 등이 필요치 않게 된다.
이러한 변환기 장치(10)를 조립하는 방법에서, 압전 소자(12)가 먼저 음향 멤브레인(14)에 부착된다. 이어서, 압전 소자(12) 및 음향 멤브레인(14) 조립체가 2개의 탄성 감쇠 요소(16a, 16b) 사이에 배치되어, 음향 멤브레인(14)의 둘레 부분(22)이 그 사이에 샌드위치되게 한다. 이어서, 압전 소자(12) 및 음향 멤브레인(14) 그리고 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)를 포함하는 적층체가 U-자형 클램프(28) 내로 삽입되며, 그에 따라 적층체가 U-자형 클램프(28)의 2개의 평평한 아암(30a, 30b)들 사이에서 클램핑되고 즉, 타이트하게 홀딩되며, 따라서 음향 멤브레인(14)의 둘레 부분(22)이 2개의 대향된 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)들 사이에서 안전하게 고정된다. 그 후에, 변환기 장치(10)가 외부 베이스(38 및 52)에 고정될 수 있을 것이다.
선택적으로, 변환기 장치(10)는 바닥이 개방되고 다른 쪽은 폐쇄된 하우징(도시하지 않음)에 의해서 둘러싸일 수 있을 것이다. 변환기 장치가 액체 내로 침잠되어야 하는 경우에 그러한 하우징은 잠수종(diving bell)으로서 기능을 할 것이며, 그에 따라 액체가 변환기로 유입되어 고장을 일으키는 것을 방지할 것이다.
변환기 장치(10)의 예시적인 작동 중에, 전기 신호가 압전 소자(12)로 공급된다(도 1 및 도 2에는 전기 연결부 및 제어부들이 도시되어 있지 않다). 그에 응답하여, 압전 소자(12)가 진동하기 시작하고, 그러한 진동은 음향 멤브레인(14)으로 전달되며, 그러한 곳에 압전 소자(12)가 장착될 것이고 음향 멤브레인(14)이 공급된 전기 신호에 상응하는 음향 신호를 전송하게 될 것이다. 음향 신호는 채널(44)에 의해서 변환기 장치(10)의 외부로 안내될 수 있을 것이며 도파관(46)에 의해서 보다 멀리 안내될 수 있을 것이다. 역으로, 도파관(46)으로부터의 음향 신호가 음향 멤브레인(14)에 의해서 수신될 때, 그 음향 멤브레인(14)이 진동하기 시작하고, 그러한 진동은 음향 멤브레인(14)에 장착된 압전 소자(12)로 전달되고, 그러한 압전 소자(12)는 그에 응답하여 수신된 음향 신호에 상응하는 전기 신호를 생성할 것이다.
음향 멤브레인(14)의 둘레 부분(22)을 고정하는 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)의 제공으로 인해서, 작동 중에 음향 멤브레인(14)의 진동이 감쇠되며, 그에 따라 (입출력 신호 모두에서) 짧고 분명한(short, distinct) 신호들이 제공될 수 있을 것이다. 즉, 주요 신호 또는 펄스에 이어지는 임의 울림(ringing) 또는 반 향(reverberations)이 감쇠되거나 제거된다. 또한, 클램프(28)가 음향 멤브레인(14)을 고정하기 위한 힘을 제공하기 때문에, 탄성 감쇠 요소(38, 52)의 압력이 비교적 작게 유지될 수 있을 것이고, 그에 따라 변환기 장치(10)와 외부 베이스(38, 52) 사이의 원치않는 진동 전달이 효과적으로 감쇠될 수 있을 것이다. 또한, 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)가 그러한 전달을 부가적으로 감소시킬 수 있을 것이다. 또한, 환경적 조건, 예를 들어 온도 변화 및/또는 주변 매체의 변화로 인해서 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)가 어느 정도 수축되거나 팽창된다면, 그러한 변화들은 탄성적인 U-자형 클램프(28)에 의해서 "흡수"될 수 있을 것이며, 그에 따라 음향 멤브레인(14)을 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)들 사이에서 안전하게 고정함으로써, 변환기 장치(10)의 기능 및 작동이 손상되지 않을 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 변환기 장치의 부분적인 측단면도이다. 도 3의 장치(10)는 도 1 및 도 2의 장치와 유사하나, 여기에서는, 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이, 탄성 감쇠 요소(16b)가 또한 압전 소자(12)의 부분과 결합하도록 2개의 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)가 음향 멤브레인-압전 소자(14, 12)의 중심을 향해서 추가적으로 연장된다. 다시 말해, 압전 소자(12)를 중간 부재로 한 상태에서 멤브레인(14)의 부분이 2개의 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)들 사이에 샌드위치된다.
또한, 도 3에는 전기 연결부들이 도시되어 있다. 즉, 도 3의 장치(10)는 2개의 전기 전도 와이어(56a 및 56b)를 포함한다. 구체적으로, 클램프(도시하지 않음) 및 요소(16a)와 조합된 탄성 감쇠 요소(16b)에 의해서 와이어(56a)가 멤브레인(14)에 대해서 지지되고(bear) 가압되며, 그에 따라 와이어(56a)가 정위치에서 유지되고 그리고 전기적 연결이 멤브레인(14)과 와이어(56a) 사이에 형성된다. 유사하게, 도 3에 도시된 바와 같이, 탄성 감쇠 요소(16b)가 압전 소자(12)와 결합하는 위치에서 와이어(56b)가 압전 소자(12)와 탄성 감쇠 요소(16b) 사이에 샌드위치된다. 회로 단락을 방지하기 위해서 와이어(56a 및 56b)는 서로 전기적으로 접촉하지 않아야 한다. 이를 위해서, 도 3에 도시된 바와 같이 와이어(56a)가 감쇠 요소(16b)와 멤브레인(14) 사이에 위치될 수 있을 것이고, 반면에 다른 와이어(56b)는 탄성 감쇠 요소(16b)를 통해서 정렬될 수 있을 것이다. 와이어(56b)는 예를 들어 요소(16b) 내로 몰딩될 수 있을 것이다. 그 대신에, 요소(16b)가 몇 개의 피스들에 의해서 형성될 수 있을 것이며, 그러한 2개의 피스들 사이에 와이어(56b)가 배치될 수 있을 것이다. 예를 들어 러버로 제조된 요소(16b)가 전기 절연체로서 작용한다. 바람직하게, 와이어(56a 및 56b)는 얇을 수 있고, 예를 들어 호일-형(foil-like) 와이어일 수 있을 것이다. 와이어(56a 및 56b)의 돌출 단부들은 바람직하게 제어부 등(도시하지 않음)에 연결된다. 또한, 전기 전도를 촉진하기 위해서 압전 소자(12)의 상부에 은 코팅 등이 제공될 수 있을 것이다.
그에 따라, 와이어(56a 및 56b)를 음향 멤브레인(14) 및 압전 소자(12)에 각각 연결하는데 있어서 납땜 등을 필요로 하지 않는다. 납땜을 이용하지 않는 것이 바람직한데, 이는 예를 들어 납땜작업이 에탄올에 노출되는 경우에, 납땜이 일부 환경에 부정적인 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 또한, 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)는 와이어(56a 및 56b) 내의 진동을 바람직하게 방지하거나 적어도 완화시키며, 그러한 진동은 예를 들어 음향 멤브레인-압전 소자(14, 12)의 활성화에 의해서 유발될 수 있으며, 그러한 진동은 측정(measurement)에 부정적인 영향을 미칠 수 있을 것이다.
본원 발명의 변환기 장치(10)의 바람직한 적용예는, 예를 들어 기본적으로 정지된 용도에서 또는 승용차 또는 트럭 또는 보트와 같은 운반체의 탱크(tank) 내의 액체 높이를 측정하기 위한 장치로 이용되는 것이다. 그러한 액체는 예를 들어 물 또는 가솔린 또는 디젤 등이 될 수 있을 것이다. 그러한 측정 장치의 예가 공보 WO2005038415에 개시되어 있으며, 그러한 공보의 내용은 본 명세서에 참조로서 포함될 것이다. 그러한 측정 장치에서, 변환기 장치에 연결된 도파관(예를 들어, 도파관(46))이 액체 내로 연장되도록 구성된다. 또한, 도파관은 변환기 장치로부터 알고 있는 거리에 정렬된 돌출 기준 요소(protruding reference element)를 바람직하게 포함한다. 작동시에, 본원 발명의 변환기 장치에 의해서 전송되는 음향 신호가 도파관에 의해서 액체 표면을 향해 안내된다. 바람직하게, 음향 신호의 파장은 약 2-10 cm이며, 이는 약 3,4-17 kHz의 주파수에 상응한다. 신호의 일부는 기준 요소(reference element)에 의해서 반사되고, 나머지 신호는 액체 표면에 의해서 반사된다. 이어서, 반사된 2가지 음향 신호들이 도파관을 통해서 변환기 장치로 다시 안내되고, 각각의 음향 신호의 수신시에 전기적 신호를 생성한다. 기준 요소에 의해서 반사된 신호의 전달 시간은 현재의(current) 음향 신호 속도(음속)를 계산하는데 이용되고, 그리고 액체 높이에 의해서 반사된 신호의 전달 시간은 현재 신호 속도와 함께 탱크내의 액체 높이 계산에 이용된다. 신호들 사이의 시간(특히, 2개의 수신된 음향 신호들 사이의 시간)은 매우 짧을 수 있으며, 그에 따라 본원 발명의 변환기 장치(10)의 짧고 분명한 신호들이 유용해질 수 있을 것이다. 또한, 광범위한 진동이 차량 또는 보트와 같은 운반체의 작동 중에 일반적으로 발생하지만, 전술한 바와 같이, 본원 발명의 변환기 장치의 지지 구조(감쇠 요소 및 클램프)는 그러한 진동이 압전 소자 및 음향 멤브레인에 도달하는 것을 적어도 부분적으로 방지한다. 그러한 진동은 잘못된 탐지 결과를 초래할 수도 있을 것이다. 또한, 탱크내의 액체는 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)를 팽창(swell)시킬 수 있으나, 그러한 팽창은 전술한 바와 같이 탄성적인 U-자형 클램프(28)에 의해서 흡수(taken up)될 수 있을 것이다.
소위 당업자는 본 발명이 전술한 바람직한 실시예로 한정되지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 반대로 말해서, 예를 들어 전술한 발명의 요약이나 상세한 설명에 기재된 바와 같이, 특허청구범위의 권리범위 내에서도 많은 변형예나 개량예가 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 변환기 장치(10)로서:
    음향 멤브레인(14);
    상기 음향 멤브레인에 장착된 압전 소자(12);
    마주보게 정렬된 2개의 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)들로서, 상기 음향 멤브레인의 둘레 부분(22)이 상기 탄성 감쇠 요소들 사이에 샌드위치식으로 지지되는, 2개의 탄성 감쇠 요소들; 그리고
    2개의 표면들을 가지는 U-자 형상의 클램프(28)로서, 상기 2개의 탄성 감쇠 요소들이 상기 표면들 사이에 클램핑되어서 상기 2개의 탄성 감쇠 요소들이 함께 가압되며, 그에 의해 상기 음향 멤브레인의 둘레 부분이 상기 2개의 탄성 감쇠 요소들 사이에 고정되는, 클램프를 포함하는
    변환기 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 클램프는 상기 음향 멤브레인과 도파관(46) 사이의 음향 통신을 허용하기 위한 관통 개구부(34)를 구비하는
    변환기 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환기 장치의 나머지를 외부 베이스(38, 52)에 부착하기 위한 하나 이상의 추가적인 탄성 감쇠 요소(36, 48)를 더 포함하는
    변환기 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 추가적인 탄성 감쇠 요소가 상기 클램프 내의 하나 이상의 홀(34, 50) 내에 끼워지는
    변환기 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 클램프가 금속으로 제조되는
    변환기 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 음향 멤브레인의 둘레 부분이 상기 음향 멤브레인의 진동 노드를 포함하는
    변환기 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    마주하는 상기 2개의 탄성 감쇠 요소들의 각각은 리세스(18a, 18b)를 포함하며, 2개의 리세스들은 상기 음향 멤브레인의 비-지지 부분(24)을 수용하기 위한 공동(26)을 함께 형성하는
    변환기 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 음향 멤브레인 및 상기 압전 소자 중 하나 이상과 접촉하는 하나 이상의 전기 전도성 와이어(56a, 56b)를 더 포함하며, 상기 하나 이상의 전기 전도성 와이어는 상기 탄성 감쇠 요소들 사이에서 상기 변환기 장치 내에 샌드위치되는
    변환기 장치.
  9. 음향 멤브레인(14)에 장착된 압전 소자(12)를 포함하는 변환기 장치(10)를 조립하는 방법으로서:
    상기 음향 멤브레인의 둘레 부분(22)이 2개의 탄성 감쇠 요소(16a, 16b)들 사이에 샌드위치식으로 지지되도록 구현된 상기 음향 멤브레인을 2개의 탄성 감쇠 요소들 사이에 위치시키는 단계; 그리고
    상기 2개의 탄성 감쇠 요소들이 함께 가압되어 상기 음향 멤브레인의 둘레 부분이 상기 2개의 탄성 감쇠 요소들 사이에 고정되도록, 상기 2개의 탄성 감쇠 요소들을 U-자 형상의 클램프(28)의 2개의 표면들 사이에 위치시키는 단계를 포함하는
    변환기 장치를 조립하는 방법.
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