KR101918133B1 - 고체 기재 상에 능동 요소를 실장하는 배열체 및 방법 - Google Patents

고체 기재 상에 능동 요소를 실장하는 배열체 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101918133B1
KR101918133B1 KR1020137022938A KR20137022938A KR101918133B1 KR 101918133 B1 KR101918133 B1 KR 101918133B1 KR 1020137022938 A KR1020137022938 A KR 1020137022938A KR 20137022938 A KR20137022938 A KR 20137022938A KR 101918133 B1 KR101918133 B1 KR 101918133B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
strain
substrate
transducer
solid
acoustic
Prior art date
Application number
KR1020137022938A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20140020894A (ko
Inventor
존 마틴 백쇼우
니콜라스 존 아셔
리오넬 윌리엄 존 켄트
던칸 피터 로
Original Assignee
배 시스템즈 피엘시
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from EP11275019A external-priority patent/EP2482276A1/en
Priority claimed from GBGB1101554.2A external-priority patent/GB201101554D0/en
Application filed by 배 시스템즈 피엘시 filed Critical 배 시스템즈 피엘시
Publication of KR20140020894A publication Critical patent/KR20140020894A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101918133B1 publication Critical patent/KR101918133B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/004—Mounting transducers, e.g. provided with mechanical moving or orienting device
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C23/00—Non-electrical signal transmission systems, e.g. optical systems
    • G08C23/02—Non-electrical signal transmission systems, e.g. optical systems using infrasonic, sonic or ultrasonic waves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B37/00—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding
    • B32B37/12—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by using adhesives
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B11/00—Transmission systems employing sonic, ultrasonic or infrasonic waves
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B13/00—Transmission systems characterised by the medium used for transmission, not provided for in groups H04B3/00 - H04B11/00
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2457/00—Electrical equipment
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T156/00—Adhesive bonding and miscellaneous chemical manufacture
    • Y10T156/10—Methods of surface bonding and/or assembly therefor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T403/00—Joints and connections
    • Y10T403/47—Molded joint
    • Y10T403/477—Fusion bond, e.g., weld, etc.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Supporting Of Heads In Record-Carrier Devices (AREA)
  • Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)
  • Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)

Abstract

고체의 강성 기재를 침투하지 않고 기재를 통해 전력 또는 데이터를 전송하기 위한 배열체에 있어서, 음향 트랜스듀서 컴포넌트는 기재에 용접되거나 접합되는 스트레인 격리부 요소를 통해 기재에 실장되며, 이 스트레인 격리부 요소가 음향 트랜스듀서의 부착 계면이 부착될 수 있는 부착 표면을 제공한다. 스트레인 격리부 요소는 강성 기재와 동일하거나 유사한 음향 임피던스의 것이며, 실제로 동일한 재료로 형성될 수 있다. 플레인 스페이서 블록(plain spacer block), 및 고체의 강성 기재에 부착되고, "버섯" 구성의 디스크가 위에 놓여지는 줄기부를 포함하는 스트레인 격리부를 포함한 다양한 기하학적 형상의 스트레인 격리부가 개시되어 있다.

Description

고체 기재 상에 능동 요소를 실장하는 배열체 및 방법{ARRANGEMENT AND METHOD OF MOUNTING AN ACTIVE ELEMENT ON A SOLID SUBSTRATE}
본 발명은 사용 시에 높은 스트레인(strain)을 받게 되는 강성의 기재(rigid substrate) 상에 요소를 실장하는 실장 배열체 및 방법에 관한 것이다.
구체적으로, 반드시 그러한 것은 아니지만, 본 발명은 사용 시에 높은 스트레인을 받게 되는 장벽(barrier)을 가로질러 비침투식 데이터 전달(Non Penetrating Data Transfer, NPDT)을 달성하기 위해 장벽 상에 음향 트랜스듀서 컴포넌트를 실장하는 것과 관련된다. 본 명세서에서, "높은 스트레인"이라는 표현은 0.5×10-3을 초과하는 스트레인을 의미하도록 사용된다. 그러나, 본 발명은, 높은 스트레인을 받고, 요소(센서와 같은) 자체 또는 요소와 기재 사이의 접합층과 같은 고정 계면에 대한 손상을 방지하기 위해 높은 스트레인에 대해 보호될 필요가 있는 기재 상에, 요소가 실장되는 다른 상황에도 적용할 수 있다. 이러한 요소는 예컨대 서모커플(thermocouple)과 같은 센서를 포함한다.
NPDT는 초음파의 음향파를 이용하여 고체 장벽을 통한 데이터 및 전력의 전송이 가능한 기술이다. NPDT는 보호성 장벽을 통한 배선 접속을 위해 요구되는 종래의 침투를 감소시키거나 제거할 수 있다. 이것은 예컨대 잠수함, 원자력 산업 및 화학 공업에서와 같이 장벽의 구조적인 무결성 또는 장벽의 기밀 무결성(hermetic integrity)이 크게 중요한 때에는 매우 매력적이다. 이러한 장벽을 통한 침투의 총개수를 감소시키는 것은 설치 비용 및 수명 유지 비용(through-life cost)을 감소시키면서 안정성을 향상시킬 수 있다. 이 기술은 또한 장벽의 성능을 훼손하지 않고서도 급박한 요구를 충족하기 위해 기존의 플랫폼에 새로운 센서 능력을 새로 장착하는 것을 가능하게 한다. 이러한 방법의 예가 본 출원인의 공개 특허 EP2122868 및 공동 계류중인 출원 PCT/GB2010/051469 및 PCT/GB2010/051470에 개시되어 있으며, 이 공개 특허 및 특허 출원의 전체 내용이 본 명세서에 참조에 의해 원용된다.
특정 애플리케이션에서는, 반드시 그러한 것은 아니지만 통상적으로 ∼3 ㎒ 내지 ∼55 ㎒의 주파수 대역의 고주파 음향 신호를 이용하여 고체 장벽을 통해 데이터가 전송된다. 매우 얇은 접합층에 의해 고체 장벽의 상호 반대측 표면 상에 접합된 압전 트랜스듀서(piezo-electric transducer)가 이들 초음파 신호를 발사(launch)하거나 수신한다. 각각의 트랜스듀서에 의해 발사된 초음파빔은 방향성이 크며, 실제 세상에서 만나게 될 가능성이 있는 대표적인 장벽 두께에 걸쳐 시준된채로(collimated) 유지될 것이다. ＞150 MB/s의 디지털 데이터 전송률이 단일 음파 채널 링크를 통해 달성될 수 있으며, 이와는 별도로 ∼100 와트의 전력 전달이 성공적으로 입증되었다. 본 출원인의 현재의 연구(위에서 언급한 바와 같은)에서 트랜스듀서를 기재 또는 캐리어 플레이트에 접합하기 위해 접착제를 사용하였지만, 예컨대 저온 솔더 또는 기타 접합 재료를 이용함으로써 접합 공정 동안의 열충격(thermal shock)으로 인한 트랜스듀서의 균열(cracking)이 발생하지 않도록 하는 다른 재료가 이용될 수 있다.
종래의 설계에서, NPDT 링크의 압전 트랜스듀서는 장벽 상에 직접 접합되도록 하거나, 또는 이와 달리 얇은 캐리어 플레이트 상에 접합되도록 하고, 그 다음으로 이 캐리어 플레이트가 장벽 상에 접합되거나 실장되도록 할 필요가 있다. 선박에 관련된 애플리케이션에서, 장벽은 예컨대 높은 인장력의 선박용 스틸(naval steel)로 구성될 수 있다. 기재 상에 트랜스듀서 요소를 직접 실장하는 것이 가능하지만, 넓은 주파수 대역폭의 데이터 트랜스듀서에 대해서는, 트랜스듀서를 중간 플레이트 및 특정한 경우에는 쐐기부(wedge section)의 플레이트 상에 실장함으로써 커다란 이점이 얻어진다. 능동 압전 트랜스듀서 요소 바로 아래의 이러한 플레이트의 평균 두께는 통상적으로 3 mm 정도이다. 일반적인 바와 같이, 논-컴플라이언트성 접합/커플링 층(non-compliant bonding/coupling layer)이 이용되는 곳에서는, 이 플레이트는 플레이트의 기계적 경직도(mechanical stiffness)로 인한 수축에 대한 응답으로 장벽에 대한 접합에 미치는 전단력(shear force)을 최소화하기 위해 가능한 한 얇게 구성되어야 하는 것으로 알려져 있다.
NPDT에서, 우수한 데이터 또는 전력 전달은 트랜스듀서와 기재와 기타 트랜스듀서 간의 우수한 음향 커플링을 이용하여 달성될 수 있다. 고주파 음향 트랜스듀서는 각각의 트랜스듀서와 기재 사이의 계면에서의 음향 반사를 감소시킴으로써 음향 에너지를 기재에서 그리고 기재의 밖에서 효율적으로 커플링하기 위해 기재에 음향학적으로 매칭될 수 있다.
음향학적 매칭은 부분적으로는 함께 접합되는 각각의 재료의 음향 임피던스의 비율에 의해 결정된다. 재료의 음향 임피던스 Za는 그 재료의 밀도 ρ와 음향 속도 va의 곱과 동일하다. 음향 임피던스가 각각 Z1과 Z2인 2개의 재료 간의 계면의 음향 반사율 Rinterface는 다음의 수식에 의해 주어진다:
Figure 112013079068749-pct00001
(1)
음향 임피던스가 34.3 MRayls(1 MRayls = 1×106 kg m-2 s-1)인 36°Y 커트 리튬 니오베이트 트랜스듀서(36°Y cut lithium niobate transducer)와 음향 임피던스가 46.3 MRayls인 선박용 스틸 기재 사이의 가상 계면(hypothetical interface)의 음향 반사율은 ∼2.2％일 것이며, 이 반사율은 매우 낮고, 그에 따라서 이들 재료는 음향학적으로 우수하게 매칭되는 것으로 간주될 것이다.
한편, 2개의 재료 사이의 음향 접합층에 의해 형성된 계면의 쌍의 음향 반사율 Rbond는 다음의 수식에 의해 주어진다:
Figure 112013079068749-pct00002
(2)
접합층 내의 낮은 레벨의 음향 감쇄를 위해 유효한 한정된 두께 L의 접합층으로부터 발생하는 음향 임피던스 Zbond는 다음의 수식에 의해 주어진다:
Figure 112013079068749-pct00003
(3)
여기서, Z1 및 Z3는 접합 라인의 양측면 상의 층 1 및 층 3에 대한 음향 임피던스이고, Z2는 두께 L의 접합층의 음향 임피던스인 한편, k2는 접합 재료의 내부에서 파장 Λ의 사운드에 대해서는 2π/Λ로 주어지는 음향 k 벡터이다.
스틸 기재에 접합된 36°Y 커트 리튬 니오베이트 트랜스듀서의 특정한 경우에 대해, 트랜스듀서-기재 접합 계면의 반사율이 ∼25％ 내지 ∼30％를 초과한 때에 트랜스듀서의 주파수 대역폭 응답이 심하게 훼손되는 것으로 판명되었다.
스틸 또는 글래스와 같은 재료에 대해서는 접착제 접합이 흔히 이용된다. 그러나, 접착제 재료는 일반적으로 트랜스듀서 또는 기재 재료에 열악하게 매칭되며, 예컨대 MasterBond에 의해 공급되는 접착제 EP30은 선박용 스틸의 음향 임피던스보다 23배 더 작은 불과 1.97 MRayls의 음향 임피던스를 갖는다. 이것은 매우 좁은 비대역폭(fractional bandwidth) Δf/fc 성능을 발생할 수 있으며, 여기서 Δf는 효율적인 음향 변환(efficient acoustic transduction)을 위한 주파수 대역폭이고, fc는 트랜스듀서의 중심 작동 주파수이다. 이것은 정상적으로는 두께가 파장의 1/100 아래인 매우 얇은 접합을 사용함으로써 해소되므로, 예컨대 40 ㎒ 중심 주파수 트랜스듀서에 대해서는 이것은 약 0.5 ㎛일 것이다. 두께 기준이 충족되면, 특정 트랜스듀서 및 기재 설계 조합에 따라서는 ∼30％ 내지 ∼50％보다 큰 비대역폭이 가능하게 된다. 그러나, 잠수함이 깊게 잠수할 때에 잠수된 잠수함 선체에 부착된 부분과 같은 트랜스듀서에 의해 매우 높은 압박 스트레인이 나타나게 되는 애플리케이션에서, 또는 고압 오일 파이프에서, 압박성 스트레인(또는 고압 오일 파이프에서의 인장 스트레인)은 트랜스듀서에 대한 박리(delamination), 손상, 또는 접합 실패를 야기할 수 있으며, 이에 의해 데이터 전달에 지장을 주거나 데이터 전달을 저해한다.
따라서, 현재 수용된 설계 고려사항은, 장벽에 대한 임의의 접착제 접합층에 미치는 전단 응력을 감소시키기 위해 임의의 캐리어 플레이트의 두께가 가능한 한 얇게 되어야 하고, 마찬가지로 계면에서의 장벽으로의 음향 파워의 반사가 최소화되도록 임의의 이러한 접합층이 가능한 한 얇게 되어야 하는 것으로 제안하고 있다. 그러나, 본 출원인의 연구에 의하면, 트랜스듀서와 장벽 사이에 비교적 두꺼운 요소를 예컨대 용접에 의해 부착함으로써 박리의 문제점이 크게 감소될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이것은, 이러한 두꺼운 요소에 대한 트랜스듀서의 중요한 접합 계면, 또는 캐리어 플레이트 상에 실장된 트랜스듀서의 경우에는 트랜스듀서와 캐리어 사이 및 캐리어와 두꺼운 요소 사이의 중요한 접합 계면에서의 스트레인을 감소시킨다.
이에 따라, 본 출원인은, 위에서 언급한 문제점의 적어도 일부를 해소하기 위해, 요소와 기재 사이의 고정 계면에서의 스트레인을 감소시키는, 기재에 요소를 고정하는 실장 배열체를 설계하였다.
이에 따라, 일특징에서, 사용 시에 0.5×10-3을 초과하는 스트레인을 받게 되는 고체의 강성 기재의 표면 상에 음향 트랜스듀서를 실장하기 위한 실장 배열체가 제공되며, 이 실장 배열체는, 상기 기재에 부착된 제1 표면 및 상기 능동 요소의 부착 계면에 부착된 제2 표면을 갖고, 상기 기재가 사용 시에 높은 압박 스트레인을 받게 되는 때에, 상기 제2 표면에서의 스트레인이 상기 제1 표면에서의 스트레인보다 낮게 되는, 스트레인 격리 요소(strain isolating element)를 포함하며, 상기 스트레인 격리 요소가, 상기 제1 표면에서 상기 고체의 강성 기재에 부착하기 위한 상대적으로 좁은 줄기부와, 상기 제2 표면에서 상기 트랜스듀서에 부착되는 확장된 헤드부를 포함한다.
상기 음향 트랜스듀서는 일반적으로 전력 및/또는 데이터 전달, 모니터링, 제어, 변조 등의 목적 중의 적어도 하나를 위해 기재에 부착된다.
"트랜스듀서 컴포넌트"라는 표현은 본 명세서에서는 예컨대 접착제에 의해 선체 또는 장벽에 부착되어 기능하는 트랜스듀서 컴포넌트를 지칭하기 위해 이용된다. 트랜스듀서 컴포넌트는 EP2122868에 의해 설명된 바와 같이 예컨대 접착제 접합에 의해 트랜스듀서 컴포넌트를 장벽 또는 선체에 부착하는 부착 계면을 구성하는 그라운드 플레인(ground plane)에 접합되는 트랜스듀서 요소를 포함할 수 있다. 이와 달리, 트랜스듀서 컴포넌트는 또한 전술한 바와 같이 장벽 또는 선체에 대해 형성된 트랜스듀서 컴포넌트의 부착 이전에 트랜스듀서가 실장되는 캐리어 플레이트 또는 중간 요소를 포함할 수 있다. 첫 번째 경우에서, 여기에서 지칭되는 음향 트랜스듀서 컴포넌트의 "부착 계면"은 트랜스듀서 요소로부터 원격으로 위치된 그라운드 플레인의 표면이다. 두 번째 경우에서, 트랜스듀서 컴포넌트 부착 계면은 트랜스듀서 요소로부터 원격으로 위치된 캐리어 플레이트 또는 중간 요소의 표면이다.
특히, 상기 기재가 1×10-3의 압박 스트레인을 받게 된 때에, 상기 스트레인 격리 요소는 스트레인을 적어도 3배, 적어도 20배, 또는 적어도 40배 만큼 감소시킬 수 있다.
상기 스트레인 격리 요소는, 수식 1에 의해 정해진 바와 같은 기재와 스트레인 격리 요소 간의 계면에서의 반사가, 쐐기형 캐리어 트랜스듀서 실장 기하학적 형상이 이용되는 때의 데이터 전송 요구에 대해서는 50% 미만이고, 전력 전송 요소에 대해서는 ∼10% 미만이 되도록, 기재에 음향학적으로 매칭될 수 있다.
상기 확장된 헤드부의 주변부의 상기 기재 쪽으로의 및/또는 상기 기재로부터 멀어지는 쪽으로의 휨 이동(flexing movement)을 감소시키기 위해 상기 확장된 헤드부의 주변부와 상기 기재 사이에 하나 이상의 휨 마운팅(flexural mounting)이 배치될 수 있는 것이 편리하다.
상기 스트레인 격리 요소는, 높은 레벨의 스트레인 사이클을 견뎌낼 수 있는 임의의 적합한 수단에 의해, 예컨대 용접, 마찰 교반 용접(friction stir welding), 브레이징, 솔더링, 및 확산 접합 중의 하나에 의해, 상기 고체의 강성 기재에 부착될 수 있으며, 실질적으로 보이드 또는 결합이 없고, 바람직하게는 접합 영역의 적어도 90％가 결함 또는 보이드가 없게 된다.
상기 스트레인 격리 요소는 예컨대 기재와 동일한 재료이어도 되는 금속과 같은 단일 재료로 형성될 수 있으며, 또 다른 애플리케이션에서는 상이한 재료의 2개의 요소로 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 스트레인 격리 요소는 ∼50 mm 직경의 요소인 경우에는 두께가 10 mm와 20 mm 사이이다.
또 다른 특징으로, 본 발명은, 사용 시에 0.5×10-3을 초과하는 압박 스트레인을 받게 되는 고체의 강성 기재 상에 능동 요소를 실장하는 방법을 제공하며, 상기 방법은, 상기 능동 요소의 부착 계면과 상기 고체의 강성 기재 사이에 스트레인 격리 요소를 개재하는 단계를 포함하며, 상기 스트레인 격리 요소는 실질적으로 접촉 영역 전체에 걸쳐 상기 고체의 강성 기재에 접합되며, 이에 의해 음향 트랜스듀서와의 부착 계면에서의 스트레인이, 압박 스트레인을 받게 될 때의 상기 고체의 강성 기재가 받게 되는 스트레인보다 작게 된다.
본 발명을 위에서 설명하였지만, 본 발명은 여기에서 개시되었거나 또는 이하의 상세한 설명 또는 도면에서 개시된 신규의 특징의 독창적인 조합 또는 부분 조합으로 확장된다.
본 발명의 다양한 실시예를 이하의 첨부 도면을 참조하여 예로서 설명할 것이다.
도 1은 개재 장벽(intervening barrier)을 통해 음향 에너지를 전송하기 위한 트랜스듀서의 종래의 배열체를 도시하는 도면이다.
도 2는 트랜스듀서 실장 배열체를 도시하는 개요도이다.
도 3은 본 발명에 따른 트랜스듀서 실장 배열체의 실시예에 대한 도면이다.
도 4a와 도 4b는 각각 본 발명에 따른 트랜스듀서 실장 배열체의 제2 실시예의 측면도와 평면도이다.
도 1을 참조하면, 각각 에폭시 접착제 접합층(15, 25)을 통해 장벽의 상호 반대쪽 면 상에 트랜스듀서(10, 20)의 쌍을 실장하는 것이 알려져 있다. 이러한 배열체는 도시된 바와 같이 경로 A를 따라 음향 에너지가 전파할 수 있도록 하나의 트랜스듀서로부터 다른 관통 접합 재료(15, 25) 및 장벽까지의 음향 경로를 제공한다. 다수의 애플리케이션에서, 전술한 바와 같이 장벽에서 유기되는 스트레인은 접합층(15, 25)에서 상당한 전단 응력을 초래할 수 있다. 이것은 장벽(30)의 표면에서의 박리를 야기할 수 있다. 전술한 바와 같이, 접합층(15, 25)은 우수한 음향 전송을 보장하기 위해 가능한 한 얇게 될 필요가 있다.
도 2는 트랜스듀서 접합에서 나타나는 스트레인을 감소시키고 이에 의해 박리의 가능성을 감소시키거나 방지하기 위해 실장되지만 우수한 음향 접촉으로 트랜스듀서(10, 20)를 장벽의 양쪽 면에 실장하는 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 각각의 트랜스듀서는 예컨대 ∼40 ㎒의 중심 작동 주파수를 갖는 트랜스듀서에 대해서는 각각 약 0.5 ㎛ 두께의 얇은 접착제 접합층을 통해 스트레인 격리 요소(12, 22) 상에 실장된다. 스트레인 격리 요소(12, 22)는 우수한 음향 커플링을 제공하기 위해 장벽의 재료와 실질적으로 동일한 음향 임피던스의 재료의 디스크로 형성된다. 이 예에서, 디스크(12, 22)는 현저한 결함 또는 보이드 없이 계면의 실질적으로 전체를 가로질러 연장하는 친밀하고 균일한 표면-대-표면 접합에 의해 장벽 재료(30)에 부착된다. 이 실시예에서, 이것은 디스크를 장벽에 용접함으로써 행해지지만, 작용하는 스트레인을 견뎌내고 우수한 음향 전달을 가능하면서 스트레인 격리 요소를 장벽에 확고하게 부착할 수 있는 어떠한 다른 적합한 부착 방법도 이용될 수 있다. 특정한 애플리케이션에서, 장벽 재료는 예컨대 높은 인장성의 선박용 스틸(high tensile naval steel)이어도 되고, 디스크(12, 22)를 형성하기 위해 동일하거나 유사한 재료가 사용될 수 있다. 요구된 친밀 접합을 제공하기 위한 다른 형태의 부착은 마찰 교반 용접(friction stir welding), 브레이징(brazing), 확산 접합, 또는 솔더링을 포함한다.
특정한 예에서, 스트레인 격리 요소(12, 22)는 두께가 약 10 mm이고, 직경이 약 50 mm이다. 트랜스듀서는 장벽으로부터 원거리에 위치한 스트레인 격리부(isolator)의 표면에 부착된다. 또 다른 예에서, 스트레인 격리 요소는 두께가 20 mm이고, 직경이 50 mm이다.
2개의 예, 즉 용접에 의해 장벽에 부착된 직경이 50 mm이고 두께가 10 mm인 디스크와, 직경은 동일하지만 두께가 2배(20 mm)인 디스크에 대해 스트레인 분석을 행하였다. 장벽에서의 1×10-3의 등방성 압박 스트레인은 장벽으로부터 원거리에 위치한 스트레인 격리 요소의 실장 표면 상에 기계적 스트레인을 발생하여, 디스크의 노출된 표면의 중앙에서, 10 mm 디스크에 대해서는 3×10-4의 스트레인을 야기하고, 20 mm 디스크에 대해서는 4.6×10-5의 스트레인을 야기한다. 이들 스트레인 값은 장벽(30)의 두께에 무관하게 1차적(first order)이다. 이것은 10 mm 두께의 디스크와 20 mm 두께의 디스크가 스트레인을 각각 약 3배와 21배 만큼 감소시킨다는 것을 나타낸다.
도 3에서, 트랜스듀서(10, 20)는 장벽(30)에 고정되고 디스크(14, 24)가 각각 위에 놓여진 원통형 줄기부(cylindrical stalk)(18, 28)로 구성된 버섯 형상의 스트레인 격리부 요소 상에 실장된다. 위의 실시예에서와 같이, 줄기부는 커다란 보이드 또는 결함 없이 기재를 가로질러 계면의 전체를 연장하는 친밀하고 균일한 접합을 이용하여 장벽 재료에 고정된다. 두께가 5 mm인 50 mm 직경의 디스크가 위에 놓여진 두께가 5 mm인 10 mm 직경의 줄기부를 갖는 제1 예와, 두께가 10 mm인 50 mm 직경의 디스크가 위에 놓여진 두께가 10 mm인 10 mm 직경의 줄기부로 이루어진 제2 예의 2개의 샘플을 분석하였다. 장벽에 1×10-3의 등방성 스트레인이 가해지는 것에 기초하여 스트레인 방지 특성(strain relief property)을 분석하였고, 그 결과의 스트레인 감소 및 비율이 아래의 표에 제공되어 있다. 역시, 이들 스트레인 값은 장벽의 두께에 무관하게 1차적이다. 표에 제공된 스트레인 값은 구조물의 "줄기부" 바로 위의 스트레인 값에 해당한다.
Figure 112013079068749-pct00004
표에 나타낸 바와 같이, 도 3에 도시된 기하학적 형상과 전술한 치수에 의해 각각 ∼47 및 ∼1500의 스트레인 감소 비율이 가능하다. 도 3에 도시된 기하학적 구조에 의한 스트레인의 감소는, 디스크(14, 24)의 주변부가 디스크의 외측 부분에 의해 디스크의 중앙에 유기되는 인장력으로 인해 장벽으로부터 원거리에 위치한 디스크 표면에 미치는 압박 스트레인의 전달에 저항하는 경향이 있기 때문에 발생한다.
도 3에 도시된 배열체는 높은 레벨의 충격을 받게 될 때에는 어떠한 애플리케이션에서는 안정하지 않을 수도 있다. 이러한 애플리케이션에 대해, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 수정된 배열체가 이용될 수 있다. 도 4의 배열체는 그렇지 않은 경우 지지되지 않는 디스크 에지의 구조적 지지를 향상시키고 또한 지지 포인트에서 디스크를 압박 스트레인으로부터 분리시키기 위해 운동학적 힌지(kinematic hinge)의 배열체를 포함한다. 이 배열체에서, 스트레인 격리부(16, 26)는 이전과 같이 전반적으로 "버섯" 형태이지만, 장벽에 용접되는 주변 환형 링(40)과 디스크 사이의 갭을 브리지하는 디스크의 주변부 주위에 다수의 이격된 운동학적 힌지(19, 29)를 포함한다. 환형 링(40)은 용접과 같은 어떠한 적합한 접합 기술에 의해서도 장벽에 부착될 수 있다. 예컨대 적합한 배열의 얇은 막대와 같은 유사한 효과를 달성하는 다른 방법이 이용될 수도 있다.
본 실시예에서는 장벽의 양쪽 면에 동일한 타입의 실장이 이용되지만, 실장은 각각의 면에 널리 퍼져있는 조건에 따라 적합하게 수정될 수도 있다는 것을 이해하기 바란다. 본 명세서에서, "트랜스듀서"라는 표현은 캐리어 플레이트에 실장된 트랜스듀서뿐만 아니라 전술한 표면에 직접 부착된 트랜스듀서도 포함한다. 주어진 치수는 단지 예를 위한 것이며, 다수의 애플리케이션에 사용되는 대표적인 트랜스듀서 크기(약 7 mm × 7mm)에 관련된다. 스트레인 격리 요소의 치수, 형상 및 실장은 특정 애플리케이션에 대해 요구된 바와 같이 수정될 수 있다는 것은 자명할 것이다.
도 3 및 도 4의 "버섯" 타입 배열체에서, 줄기부는 상이한 재료, 예컨대 더 약한 재료, 즉 실질적으로 더 작은 영의 계수(Young's Modulus)를 갖는 재료로 형성될 수 있으며, 예컨대 중앙 줄기부는, 스틸과 음향학적으로 거의 완벽하게 부합하고, 높은 인장성의 선박용 스틸의 대략 절반의 영의 계수를 갖는 구리로 구성될 수 있다. 그리고나서, 구리가 확산 접합에 의해 스틸 디스크에 부착될 수 있다.
도 3 및 도 4의 "버섯" 타입 배열체에 대한 대안으로서, 본 발명에서는 다른 형태의 테이퍼링 또는 단차형 격리 요소(tapering or stepped isolation element)도 고려된다. 예컨대, 스트레인 격리 요소는 한쪽 말단이 다른 쪽 말단(헤드를 형성하기 위한)보다 작은 폭(줄기부를 형성하기 위해)을 갖는다면 절두체 또는 둥근 지붕(cupola) 형태를 가질 수도 있다.
구체적으로, 스트레인 격리 요소는 원뿔대(conical frustrum) 형태를 가질 수도 있으며, 이 원뿔대 형태에서는, 스트레인 격리 요소의 작은 직경의 말단(즉, 줄기)에서의 원형 표면이 기재에 접합하기 위한 것이고, 반대쪽의 말단(즉, 헤드)에 있는 더 큰 표면이 부착 계면에 접합하기 위한 것이다.
"버섯" 타입의 배열체가 단차 형태를 포함하는 곳에서는, 내부 코너가 모접기(chamfer)되거나 또는 모깎기(fillet)되어도 된다.

Claims (13)

  1. 비침투식 데이터 전달 시스템(non penetrating data transfer system)으로서,
    사용 시에 0.5×10-3을 초과하는 스트레인(strain)을 받게 되고, 비침투식 데이터가 전달되는 고체의 강성 기재(solid rigid substrate); 및
    상기 고체의 강성 기재의 서로 반대되는 표면에 각각 배열되는, 두 개의 비침투식 데이터 전달 실장 배열체를 포함하고,
    각각의 실장 배열체는,
    음향 트랜스듀서(acoustic transducer); 및
    상기 기재에 부착된 제1 표면 및 상기 음향 트랜스듀서의 부착 계면에 부착된 제2 표면을 가지며, 상기 기재가 사용 시에 높은 압박 스트레인을 받을 때, 상기 제2 표면에서의 스트레인이 상기 제1 표면에서의 스트레인보다 낮아지게 하는, 스트레인 격리 요소(strain isolating element)를 포함하며,
    상기 스트레인 격리 요소는, 상기 제1 표면에서 상기 고체의 강성 기재에 부착하기 위한 줄기부를 포함하고, 상기 제2 표면에서 상기 음향 트랜스듀서에 부착되는 확장된 헤드부를 포함하되, 상기 줄기부는 상기 헤드부에 비해 폭이 좁은,
    비침투식 데이터 전달 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 표면은 상기 제1 표면의 전체에 걸쳐 상기 기재와 접촉을 이루는, 비침투식 데이터 전달 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스트레인 격리 요소는 상기 스트레인을 적어도 3배 만큼 감소시키는, 비침투식 데이터 전달 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스트레인 격리 요소는 상기 스트레인을 적어도 20배 만큼 감소시키는, 비침투식 데이터 전달 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스트레인 격리 요소는 상기 스트레인을 적어도 40배 만큼 감소시키는, 비침투식 데이터 전달 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 확장된 헤드부의 주변부의 휨 이동(flexing movement)을 감소시키기 위해 상기 확장된 헤드부의 주변부와 상기 기재 사이에 배치된 휨 마운팅(flexural mounting)을 더 포함하는, 비침투식 데이터 전달 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 스트레인 격리 요소는 용접, 브레이징, 솔더링, 확산 접합 및 마찰 교반 용접(friction stir welding) 중의 하나에 의해 상기 고체의 강성 기재에 부착되는, 비침투식 데이터 전달 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 스트레인 격리 요소는 단일 재료로 형성되는, 비침투식 데이터 전달 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스트레인 격리 요소는 상이한 재료의 2개의 요소로 형성되는, 비침투식 데이터 전달 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    계면에 직각을 이루는 방향에서의 상기 스트레인 격리 요소의 두께는 5 mm와 30 mm 사이인, 비침투식 데이터 전달 시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 두께는 10 mm와 20 mm 사이인, 비침투식 데이터 전달 시스템.
  13. 삭제
KR1020137022938A 2011-01-31 2012-01-24 고체 기재 상에 능동 요소를 실장하는 배열체 및 방법 KR101918133B1 (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP11275019A EP2482276A1 (en) 2011-01-31 2011-01-31 Arrangement and method of mounting an active element on a solid substrate
GB1101554.2 2011-01-31
GBGB1101554.2A GB201101554D0 (en) 2011-01-31 2011-01-31 Mounting arrangements
EP11275019.5 2011-01-31
PCT/GB2012/050142 WO2012104602A1 (en) 2011-01-31 2012-01-24 Arrangement and method of mounting an active element on a solid substrate

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140020894A KR20140020894A (ko) 2014-02-19
KR101918133B1 true KR101918133B1 (ko) 2018-11-13

Family

ID=45529136

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020137022938A KR101918133B1 (ko) 2011-01-31 2012-01-24 고체 기재 상에 능동 요소를 실장하는 배열체 및 방법

Country Status (8)

Country Link
US (2) US9457546B2 (ko)
EP (1) EP2671218B1 (ko)
JP (1) JP5788530B2 (ko)
KR (1) KR101918133B1 (ko)
AU (1) AU2012213262B2 (ko)
BR (1) BR112013019244B1 (ko)
GB (1) GB2501431B (ko)
WO (1) WO2012104602A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2557345B (en) * 2016-12-08 2021-10-13 Bae Systems Plc MIMO communication system and data link

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3120622A (en) * 1960-03-29 1964-02-04 Gulton Ind Inc Self-calibrating accelerometer
US3441754A (en) 1966-05-31 1969-04-29 Linden Lab Inc Base mounted piezoelectric transducer assembly having intermediate stress absorbing member
JPS4727488U (ko) 1971-04-15 1972-11-28
NL7211719A (ko) * 1971-09-07 1973-03-09
JPS5213080A (en) 1975-07-18 1977-02-01 Showa Electric Wire & Cable Co Ltd Vibration proof device
DE3107878A1 (de) * 1981-03-02 1982-09-16 Honeywell-Elac-Nautik Gmbh, 2300 Kiel Unterwasser-schallwandler
US4484962A (en) * 1984-01-17 1984-11-27 Thomas & Betts Corporation Method and apparatus for applying strain relief to a cable splice
JPS6213080A (ja) 1985-07-11 1987-01-21 Fujitsu Ltd ヘテロ接合を有する半導体装置
US4800758A (en) 1986-06-23 1989-01-31 Rosemount Inc. Pressure transducer with stress isolation for hard mounting
DE4011910A1 (de) 1990-04-12 1991-10-17 Busch Dieter & Co Prueftech Vorrichtung und verfahren zur beschleunigungsmessung durch piezo-elektrische umformer
US5315203A (en) 1992-04-07 1994-05-24 Mcdonnell Douglas Corporation Apparatus for passive damping of a structure
JPH07297560A (ja) 1994-04-28 1995-11-10 Hitachi Ltd 多層プリント配線基板およびその実装構造体
US5869762A (en) * 1996-11-27 1999-02-09 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Monolithic piezoelectric accelerometer
JP2001156413A (ja) * 1999-11-26 2001-06-08 Sumitomo Electric Ind Ltd 銅回路接合基板及びその製造方法
JP2002271273A (ja) * 2001-03-07 2002-09-20 Hitachi Shonan Denshi Co Ltd 超音波通信装置
US6625084B1 (en) 2002-08-20 2003-09-23 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy System for acoustically passing electrical signals through a hull
US7894306B2 (en) * 2006-12-21 2011-02-22 Bae Systems Plc Apparatus and method for data transfer through a substrate
FR2919050B1 (fr) * 2007-07-20 2012-03-23 Centre Nat Rech Scient Jauge de contrainte de type structure resonante acoustique et capteur d'au moins un parametre physique utilisant une telle jauge de contrainte.
JP2009302707A (ja) * 2008-06-11 2009-12-24 Seiko Epson Corp 半導体装置及び回路基板
KR101023804B1 (ko) * 2008-10-30 2011-03-21 (주)동일기연 압전 초음파 트랜스듀서
WO2011027169A1 (en) 2009-09-04 2011-03-10 Bae Systems Plc Acoustic transmission
EP2293469A1 (en) 2009-09-04 2011-03-09 BAE Systems PLC Acoustic transmission
NO2474111T3 (ko) 2009-09-04 2018-04-28

Also Published As

Publication number Publication date
EP2671218B1 (en) 2017-08-02
BR112013019244A2 (pt) 2016-10-11
US20160379612A1 (en) 2016-12-29
US9457546B2 (en) 2016-10-04
AU2012213262A1 (en) 2013-08-15
GB2501431A (en) 2013-10-23
EP2671218A1 (en) 2013-12-11
GB201313790D0 (en) 2013-09-18
JP2014507092A (ja) 2014-03-20
WO2012104602A1 (en) 2012-08-09
KR20140020894A (ko) 2014-02-19
BR112013019244B1 (pt) 2021-03-16
GB2501431B (en) 2015-04-15
AU2012213262B2 (en) 2015-10-01
US9830898B2 (en) 2017-11-28
US20130309002A1 (en) 2013-11-21
JP5788530B2 (ja) 2015-09-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8448518B2 (en) Removable wear-plate assembly for acoustic probes
EP2177048A1 (en) Acoustic transducer assembly
AU2010290940B2 (en) Acoustic transmission
JP6432558B2 (ja) 弾性波装置
WO2017077287A1 (en) Ultrasonic thickness gauge to be used in a high temperature environment and process for attaching it
AU2010290941B2 (en) Acoustic transmission
US4430593A (en) Acoustic transducer
KR101918133B1 (ko) 고체 기재 상에 능동 요소를 실장하는 배열체 및 방법
EP2293469A1 (en) Acoustic transmission
EP2293468A1 (en) Acoustic transmission
JP2002517310A (ja) 合成導電被覆を具備する多要素音響プローブとその製造方法
EP2482276A1 (en) Arrangement and method of mounting an active element on a solid substrate
NO344554B1 (no) Akustisk transduser med en bakplate med ensrettede fibre og fremgangsmåte for bruk i et brønnhull
JP3707957B2 (ja) 超音波探触子
JP2006284486A (ja) 超音波探触子、及び超音波探触子用軟質遅延材
CN116858934A (zh) 一种空气耦合超声同侧反射式检测方法
JPH05209766A (ja) 超音波送受波器
JP2001056322A (ja) 超音波探触子
FR2549657A1 (fr) Dispositif electromecanique transducteur pour la generation et la detection d'ondes elastiques dans une plaque
CN102866207A (zh) 大功率信号发射探头
JP2009300282A (ja) 超音波送受波装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant