KR101802841B1 - 면접촉 보빈 구조를 갖는 가동코일형 수중 음향발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수중 음향 발생기에 관한 것으로 특히 자속 손실과 요크의 공극을 최소화할 수 있는 면접촉 보빈 구조를 갖는 가동코일형 수중 음향발생기에 관한 것으로, 외부 케이스에 의해 밀봉되어, 방사판에 연결된 보빈이 제1,제2요크사이의 공극에 정렬되어 작동하는 가동코일형 수중 음향발생기에 있어서, 제1, 제2요크 사이의 공극면 및 보빈 중 적어도 하나에 코팅 부재를 증착하여, 상기 보빈이 제1,제2요크 사이의 공극면에 면 접촉된 상태로 작동하는 면 접촉 보빈 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

면접촉 보빈 구조를 갖는 가동코일형 수중 음향발생기{MOVING COIL TYPE UNDERWATER SOUND PROJECTOR HAVING CONTACT SURFACE BOBBIN STRUCTURE}

본 발명은 수중 음향 발생기에 관한 것으로 특히 자속 손실과 요크의 공극을 최소화할 수 있는 면접촉 보빈 구조를 갖는 가동코일형 수중 음향발생기에 관한 것이다.

가동코일형 음향발생기(moving coil type underwater sound projector)는 공기중에서 일반적으로 사용하고 있는 가청주파수 대역의 동전형 라우드 스피커 (electrodynamic loud speaker)와 작동원리가 동일하며, 수중에서 대표적인 저주파 수중음원으로 사용되고 있다.

도 1은 종래의 축대칭 가동코일형 수중 음향발생기 단면에 대한 개략적인 구성도이다.

도 1에 도시된 바와같이, 가동코일형 수중 음향발생기는 외부 케이스를 이용해서 수중에서 사용 가능한 수밀구조로 제작되며, 방사판, 보빈, 코일, 코어봉, 영구자석 및 제1,제2요크를 포함한다.

코어봉은 제 1요크와 제2요크의 공극에 보빈을 정렬시키는 역할을 하며, 상기 코어봉과 방사판사이에는 스프링(e.g., 판 스프링)이 연결된다. 제1,제2요크 사이의 공극이 작을 경우에는 방사판에 연결된 보빈의 가동 코일부가 제1,제2요크와 충돌하지 않고 직선 왕복운동을 할 수 있도록 추가적인 가이드가 적용될 수도 있다.

상기 스프링의 강성은 방사판의 공진 주파수가 낮게 유지되도록 하여 저주파수에서 큰 음압을 낼 수 있도록 설계된다. 상기 보빈은 원통형 구조로 원주방향으로 코일이 감겨 있으며, 상기 코일은 섬유 강화 플라스틱 (Fiber Reinforced Plastic)을 이용해서 보빈에 튼튼하게 고정되며, 외부의 전원이 연결이 되면 전류가 보빈의 원주방향으로 흐를 수 있도록 구성된다. 영구자석과 제1, 제2요크는 자계 형성부를 구성하여, 공극에서 코일 전류에 대하여 수직방향의 자계를 형성한다.

따라서, 가동코일형 수중 음향발생기는 영구자석을 이용하여 제1, 제2요크사이의 공극에 반경 방향으로 자계를 형성하고, 코일에 원주방향으로 전류를 흐르게 하면, 자계와 전류의 수직방향으로 로렌츠 힘(Lorentz force)이 발생되어 로렌츠 힘에 의해 방사판이 진동되어 음압을 발생시킨다.

도 1에서 공극에서의 자기장이

_, 코일의 길이가

, 전류의 크기가 I일 때 가동코일부에 작용하는 힘(구동력)(F)는 수학식 1과 같다.

[수학식 1]

가동코일형 수중 음향발생기가 저주파수에서 큰 음압을 발생시키기 위해서는 가동코일부에 작용하는 힘이 커야한다. 가동코일에 작용하는 힘을 증가시키기 위해서는 자속밀도의 크기, 코일 길이, 코일에 흐르는 전류의 크기를 증가시켜야 한다. 코일 길이는 음향발생기의 크기와 구조에 의해 제약을 받고, 자속밀도는 영구자석과 요크의 물성치, 공극의 크기에 의해서 결정되며, 전류의 크기는 코일의 직경, 턴 수 및 전원 용량 등에 의해서 결정이 된다.

그런데, 종래의 가동코일형 수중 음향발생기는 요크의 공극에 보빈을 정렬시키기 위한 코어봉과, 가동 코일부와 요크의 충돌방지용 가이드가 요크 내부에 위치하기 때문에 요크 내에서 자속의 손실이 발생한다.

또한, 보빈과 요크간의 마찰, 충돌에 의한 동적성능 저하 및 파손을 방지하기 위하여, 제1, 제2요크사이에 충분한 공극이 필요하며, 공극의 존재로 자기저항 (magnetic reluctance)이 크기 때문에 자속밀도가 낮아 동일 전류 인가 시 발생하는 구동력의 크기가 작아지는 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 자속 손실과 요크의 공극을 최소화하여 구동력을 증가시킬 수 있는 면접촉 보빈 구조를 갖는 가동코일형 수중 음향 발생기를 제작하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 가동코일형 수중 음향발생기는, 음압을 발생하는 방사판에 연결된 보빈이 제1,제2요크사이의 간격인 공극에 정렬되는 가동코일형 수중 음향발생기에 있어서, 상기 보빈은 원통형으로 형성되어, 일측은 음압을 발생하는 방사판에 연결되고 타측은 공극에 정렬되며 측면은 코팅 부재를 통해 상기 제1,제2요크의 공극면과 면접촉되는 면접촉 구조를 갖을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 상기 코팅 부재는 고체 윤활막일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 상기 코팅 부재는 다이아몬드와 유사한 높은 경도, 낮은 마찰계수, 높은 내마모성 및 낮은 표면 조도를 갖는다.

본 발명의 일 실시예에 따라 상기 코팅 부재는 제1,제2요크 사이 공극면에만 증착되거나 보빈의 양면에만 증착되거나 또는 제1,제2요크 사이 공극 면과 보빈의 양면에 모두 증착될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 상기 코팅 부재는 DLC(Diamond-like carbon)필름일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 상기 면 접촉 보빈 구조는 보빈이 요크 공극면과 면 접촉한 상태로 수직축 방향의 직선 운동을 가이드할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 상기 방사판과 제1요크사이에 판 스프링이 직접 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 상기 외부 케이스는 내부에 건조한 공기, 질소 및 아르곤 가스로 채워질 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 가동코일형 수중 음향발생기는, 외부 케이스에 의해 밀봉되는 가동코일형 수중 음향발생기에 있어서, 음압을 발생하는 방사판에 연결된 보빈; 상기 보빈이 정렬되는 제1,제2요크간 공극; 및 상기 제1, 제2요크측 공극면에 증착되어, 상기 보빈이 제1,제2요크 사이의 공극면에 접촉된 상태로 축방향의 직선 운동을 가이드하는 고체 윤활막;을 포함하며, 상기 코팅 부재가 포함된 제1,제2요크간 공극의 크기는 보빈의 폭과 동일하게 설계되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따라 상기 고체 윤활막은 제1,제2요크 측 공극면에만 증착되거나 보빈의 양면에만 증착되거나 또는 제1,제2요크 측 공극 면과 보빈의 양면에 모두 증착될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 상기 고체 윤활막은 DLC(Diamond-like carbon)필름일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 상기 방사판과 제1요크사이에 판 스프링이 직접 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 상기 외부 케이스는 내부에 건조한 공기, 질소 및 아르곤 가스가 채워질 수 있다.

본 발명에 따른 면접촉 보빈 구조를 갖는 가동코일형 수중 음향발생기는 자체적으로 정밀한 정렬과 가이드 기능을 갖기 때문에 별도의 코어봉과 가이드가 필요 없어, 요크의 부피손실에 의한 자속 손실이 없고 구동부의 구조도 단순화할 수 있는 효과가 있다.

이에 더하여 본 발명에 따른 면접촉 보빈 구조를 갖는 가동코일형 수중 음향발생기는 자속 손실과 요크간 공극의 최소화를 구현함으로써 공극 내 자속밀도를 증가시켜 전자기력을 극대화시킬 수 있기 때문에 구동력이 증대된 고출력 가동코일형 구동기에 적용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 가동코일형 수중 음향발생기 단면에 대한 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 면접촉 보빈 구조를 가진 가동코일형 수중 음향발생기의 구성도.
도 3은 제2실시예에 따른 면접촉 보빈 구조를 가진 가동코일형 수중 음향발생기의 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가동코일형 수중 음향발생기의 2차원 축대칭 전자기 해석모델을 나타낸 도면.
도 5a 및 도 5b는 공극의 크기에 따른 공극 내 중심선에서 위치변화에 대한 자속밀도의 변화와 공극의 크기에 따른 최대 자속밀도를 나타낸 그래프.
도 6은 공극의 크기와 전류의 크기에 따라 발생하는 구동력의 크기를 나타낸 그래프.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하고자, 자속 손실과 요크의 공극을 최소화하고 구동력이 증대된 면접촉 보빈 구조를 적용한 고출력 가동코일형 수중 음향발생기를 제안한다.

가동코일형 수중 음향발생기의 출력을 향상시키기 위한 중요한 설계 인자는 제 1, 제2요크사이의 반경방향의 자속 밀도이다. 자속 밀도를 증가시키면 전자기력을 향상시킬 수 있고 이를 통해 음향발생기의 출력이 향상된다. 자속 밀도가 증가되기 위해서는 요크 내의 부피 손실을 줄여서 자속 손실을 최소화하고 요크 사이의 공극을 최소화해야 한다.

본 발명에서는 코팅 부재인 고체 윤활막을 이용하여 요크의 공극면과 보빈간 면접촉 구조를 적용하였다. 면접촉 보빈 구조는 공극과 보빈의 위치를 정렬하고 축방향 직선운동의 가이드 역할을 구현함으로 기존의 코어봉과 직선운동 가이드를 제거할 수 있어 요크 내의 자속 손실을 최소화할 수 있다. 또한, 보빈이 요크에 접촉되는 상태까지 요크사이의 공극을 최대로 줄여 자기저항을 감소시킴으로써 자속밀도 및 전자기력이 증가될 수 있도록 구현하였다. 이를 위하여 고체 윤활막은 제1,제2요크 측 공극면에만 증착되거나 보빈의 양면에만 증착되거나 또는 제1,제2요크 측 공극 면과 보빈의 양면에 모두 증착될 수 있다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 면접촉 보빈 구조를 가진 가동코일형 수중 음향발생기의 구성도이고, 도 3은 제2실시예에 따른 면접촉 보빈 구조를 가진 가동코일형 수중 음향발생기의 구성도이다.

도 2에서는 코일이 감긴 보빈 양면 및 제1, 제2요크의 공극면에 모두 고체 윤활막이 증착되었고, 도 3에서는 제1, 제2요크의 공극면에만 고체 윤활막이 증착되어 있다.

본 발명에 따른 면 접촉 보빈 구조에서는 고체 윤활막이 증착된 요크간 공극의 크기가 보빈의 폭과 동일하게 설계됨으로써 공극의 크기를 최소화하였으며, 보빈이 요크 공극면과 면접촉한 상태로 수직축 방향으로 직선 운동을 하도록 고안되었다. 이와 같은 면접촉 보빈 구조는 공극과 보빈의 위치가 정렬된 상태로 축방향 직선운동을 가이드하는 역할을 수행할 수 있으므로 코어봉과 가이드가 필요 없게 된다. 따라서, 본 발명에서는 종래에 자속 손실의 주요 요인이던 가동 코일부와 요크의 충돌방지용 가이드를 제거함으로써 요크 내에 부피손실에 의한 자속 손실을 최소화하고 구동부의 구조를 단순화할 수 있다.

본 발명은 고체 윤활막으로 DLC (Diamond-like carbon)필름을 적용할 수 있다. 상기 DLC필름은 다이아몬드와 유사한 높은 경도, 낮은 마찰계수, 높은 내마모성, 낮은 표면조도를 갖는 코팅 부재이다. 상기 DLC 필름의 증착 두께는 약 1μm 미만이며, 마찰계수는 0.001~0.3정도이다. 상기 DLC 필름의 마찰계수는 건조한 공기, 질소, 아르곤 환경에서 낮아지므로, 도 2와 도 3의 외부케이스 내부는 건조한 공기, 질소 및 아르곤으로 채워질 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가동코일형 수중 음향발생기의 2차원 축대칭 전자기 해석모델을 나타낸다.

본 발명에 따른 가동코일형 수중 음향발생기의 요크간 공극감소에 따른 자속밀도 증가 및 구동력 증대 효과는 해석적으로 검증될 수 있다. 이를 위하여 본 발명은 도 4에 도시된 바와같이, 상용 전자기 수치해석 소프트웨어인 MagNet을 이용해서 해석을 수행하였으며, 요크와 영구자석의 재질은 각각 M19(IEC 60404-8-4 (1998)M350-65A5), N35H를 적용하였다. 이때 2차원 축대칭 전자기 해석모델의 치수는 표 1에 도시되어 있다.

[표 1]

도 5a 및 도 5b는 공극의 크기에 따른 공극 내 중심선에서 위치변화에 대한 자속밀도의 변화(A)와 공극의 크기에 따른 최대 자속밀도(B)를 나타낸 그래프이다.

도 5a는 공극의 크기 변화시 공극 내 중심선에서의 위치에 따른 자속밀도를 계산한 결과이고, 도 5b는 공극의 크기에 따른 최대 자속밀도를 나타낸다. 도 5a를 참조하면 제1,제2요크 사이의 공극의 크기가 감소할수록 자속밀도는 증가하고 자속밀도가 높게 유지되는 영역이 크다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 5b에서는 공극이 예를들어 10mm에서 4 mm로 줄어들 때 자속밀도는 49% 증가하는 것을 확인할 수 있다.

도 6은 공극의 크기와 전류의 크기에 따라 발생하는 구동력의 크기를 나타낸 그래프이다.

도 6에 도시된 바와같이, 공극이 10mm에서 4mm로 줄어들 때, 구동력은 51% 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 코일에 인가하는 전류가 커질수록 공극의 변화에 따른 힘의 크기 차이도 커진다. 따라서, 고안된 면접촉 보빈구조를 가진 가동코일형 수중 음향발생기는 기존 음향발생기보다 큰 음압을 발생시킬 수 있음이 확인되었다.

상술한 바와같이 본 발명에 따른 면접촉 보빈 구조를 갖는 가동코일형 수중 음향발생기는 자체적으로 정밀한 정렬과 가이드 기능을 갖기 때문에 별도의 코어봉과 가이드가 필요 없어, 요크의 부피손실에 의한 자속 손실이 없고 구동부의 구조도 단순화할 수 있는 장점이 있다.

그리고, 본 발명에 따른 면접촉 보빈 구조를 갖는 가동코일형 수중 음향발생기는 자속손실과 요크간 공극의 최소화를 구현함으로써 공극 내 자속밀도를 증가시켜 전자기력을 극대화시킬 수 있기 때문에 구동력이 증대된 고출력 가동코일형 구동기에 적용할 수 있는 장점이 있다.

따라서, 기존의 가동코일형 수중 음향발생기에 적용하여 요크의 공극면과 코일이 감긴 보빈을 면접촉 보빈 구조로 변경하면 코어봉과 가이드가 없고 공극이 최소화된 가동코일형 수중 음향발생기의 설계가 가능하며, 자속손실과 공극 감소에 의한 전자기력의 증대로 수중에서 저주파수의 큰 음압을 발생시키기 위한 고출력 저주파 수중음향 발생기를 제작하는데 적용이 가능할 것으로 판단된다.

상기와 같이 설명된 본 발명에 따른 면접촉 보빈 구조를 갖는 가동코일형 수중 음향발생기는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.

Claims (13)

1. 음압을 발생하는 방사판에 연결된 보빈이 제1,제2요크사이의 간격인 공극에 정렬되는 가동코일형 수중 음향발생기에 있어서,
   상기 보빈은 원통형으로 형성되어, 일측은 음압을 발생하는 방사판에 연결되고 타측은 공극 내에 정렬되며, 측면은 제1,제2요크의 공극면과 접촉되어 접촉면에 코팅 부재인 고체 윤활막이 증착된 면접촉 구조를 갖으며,
   상기 보빈은 면접촉 구조에 의해 수직축 방향의 직선 운동이 가이드되고,
   상기 코팅 부재는 제1,제2요크측 공극면에 증착되거나 보빈의 양면에 증착되거나 또는 제1,제2요크측 공극면과 보빈의 양면에 모두 증착되는 것을 특징으로 하는 가동코일형 수중 음향발생기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 코팅 부재는
   DLC(Diamond-like carbon)필름인 것을 특징으로 하는 가동코일형 수중 음향발생기.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서, 상기 방사판과 제1요크사이에 판 스프링이 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 가동코일형 수중 음향발생기.
8. 제1항에 있어서, 상기 가동코일형 수중 음향발생기는
   외부 케이스에 의해 밀봉되며, 상기 외부 케이스는 내부에 건조한 공기, 질소 및 아르곤 가스로 채워지는 것을 특징으로 하는 가동코일형 수중 음향발생기.
9. 서로 이격되어 소정 간격의 공극을 형성하는 제1,제2요크;
   일측은 음압을 발생하는 방사판에 연결되고 타측은 공극에 정렬되며 측면은 제1, 제2요크측 공극면과 면접촉되어 정렬되는 원동형 보빈; 및
   상기 제1, 제2요크측 공극면에 증착된 고체 윤활막;을 포함하며,
   상기 원동형 보빈은 제1, 제2요크측 공극면과 면 접촉한 상태로 수직축 방향의 직선 운동을 수행하는 것을 특징으로 하는 가동코일형 수중 음향발생기.
10. 제9항에 있어서, 상기 고체 윤활막은
    보빈의 양면에만 증착되거나 또는 제1,제2요크 측 공극 면과 보빈의 양면에 증착될 수 있는 것을 특징으로 하는 가동코일형 수중 음향발생기.
11. 제9항에 있어서, 상기 고체 윤활막은
    DLC(Diamond-like carbon)필름인 것을 특징으로 하는 가동코일형 수중 음향발생기.
12. 제9항에 있어서, 상기 방사판과 제1요크사이에 판 스프링이 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 가동코일형 수중 음향발생기.
13. 제9항에 있어서, 상기 가동코일형 수중 음향발생기는
    외부 케이스에 의해 밀봉되며, 상기 외부 케이스는 내부에 건조한 공기, 질소 및 아르곤 가스가 채워지는 것을 특징으로 하는 가동코일형 수중 음향발생기.

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